Laser aplicado na preparação de vidros e vitrocerâmicas: estudos do crescimento de cristais e viabilidade da produção de microssensores do estado sólido

• Processo: 19/27628-6
• Linha de fomento: Auxílio à Pesquisa - Regular
• Vigência: 01 de dezembro de 2021 - 30 de novembro de 2023
• Área do conhecimento: Engenharias - Engenharia de Materiais e Metalúrgica - Materiais Não-metálicos
• Pesquisador responsável: Marcello Rubens Barsi Andreeta
• Beneficiário: Marcello Rubens Barsi Andreeta
• Instituição-sede: Centro de Ciências Exatas e de Tecnologia (CCET). Universidade Federal de São Carlos (UFSCAR). São Carlos , SP, Brasil
• Pesq. associados: Oscar Peitl Filho ; Rafael Bonacin de Oliveira
• Assunto(s): Materiais cerâmicos Materiais vitrocerâmicos Vidros óxidos Crescimento de cristais Cristalização Fusão seletiva a laser Microssensores

Resumo

A pesquisa por novos materiais que possam ser utilizados como sensores de pH é de enorme importância, especialmente na indústria de alimentos e medicina onde existem grandes demandas para obtenção de medidas in situ, muitas vezes impossibilitadas de serem realizadas devido à fragilidade e tamanho dos sensores atuais. O emprego de elementos sensores baseados em cerâmicas ou vitrocerâmicas é desejado devido aos baixos custos de produção e, em geral, às melhores propriedades mecânicas destes materiais. Dentre os compostos que vem sendo estudados, os condutores iônicos a base de lítio, em especial o titanato de lantânio e lítio (Li3xLa(2/3)-xTiO3 - conhecido como LLTO, para x H 0.11), têm recebido atenção especial por possuírem elevada condutividade iônica. No entanto, o emprego comercial destes sensores esbarra no problema da reprodutibilidade da sua microestrutura. Desta forma, uma possível solução para este problema poderia estar no desenvolvimento de processos de produção de monocristais. Entretanto, relatos na literatura indicam dificuldades na obtenção de amostras monocristalinas com dimensões acima de poucos milímetros para o LLTO, a um custo proibitivo para a produção em larga escala. Uma nova possível rota de preparação para esta família de compostos, a qual ainda não foi explorada, é a produção de vidros e/ou respectivas vitrocerâmicas (sistemas vítreos cristalizados de forma controlada). Com esta motivação, neste projeto de pesquisa se propõe o estudo sistemático de processos de preparação de vidros e o estudo do processo de formação de vitrocerâmicas no sistema Li2O-(La,Y,Al)2O3-TiO2-SiO2, o qual inclui a composição estequiométrica do composto LLTO. Para este estudo, do ponto de vista de ciência dos materiais, este projeto visa contribuir com a compreensão do crescimento de cristais em vidros do sistema a ser estudado (distribuição das fases cristalinas, tamanho dos cristais e sua geometria), por meio de uma cristalização não-isotérmica. Desta forma, visa-se obter uma correlação entre os parâmetros térmicos do processo de crescimento de cristais com a microestrutura obtida, possibilitando assim, uma melhor compreensão da relação microestrutura-composição-sensibilidade ao pH. Do ponto de vista tecnológico, com a melhor compreensão da correlação citada anteriormente, é esperado a obtenção de amostras que permitam a miniaturização de sensores de pH do estado sólido. Para atingir estes objetivos, as amostras serão preparadas em uma geometria esférica por meio de fusão a laser em um sistema de levitação aerodinâmica, a ser otimizado durante a execução deste projeto. Após a preparação dos vidros em pequenas esferas (aproximadamente com 3 mm de diâmetro), estas serão aquecidas no mesmo sistema de levitação aerodinâmica. Desta forma, é esperado a inibição de um fator importante para a nucleação da superfície que é a influência do substrato. Após a cristalização controlada do vidro, este será cortado e polido com qualidade óptica para o estudo das fases cristalizadas (as quais serão caracterizadas por meio de difração de raios-X e espectroscopia Raman - este último equipamento a ser adquirido neste projeto de pesquisa). As amostras produzidas serão caracterizadas também por análise térmica, microscopia eletrônica, fluorescência de raios-X, além dos testes de sensibilidade ao pH. Desta forma pretende-se avançar na compreensão dos processos de cristalização em vidros, bem como na reprodutibilidade da produção e obtenção de sensores de pH de baixo custo e eficientes, fundamentais para o desenvolvimento tecnológico das indústrias nacionais das áreas médicas e de alimentos. (AU)