Estudo calorimétrico de alumino-silicatos amorfizados via processo mecano-químico.

• Processo: 25/22875-6
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Iniciação Científica
• Data de Início da vigência: 01 de novembro de 2025
• Data de Término da vigência: 31 de outubro de 2026
• Área de conhecimento: Ciências Exatas e da Terra - Física - Física da Matéria Condensada
• Pesquisador responsável: José Fabián Schneider
• Beneficiário: Breno Costa Ponce
• Instituição Sede: Instituto de Física de São Carlos (IFSC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 25/13708-9 - Estudo calorimétrico de alumino-silicatos amorfizados via processo mecano-químico, AP.R
• Assunto(s): Varredura diferencial de calorimetria Caulim Relaxação estrutural Calorimetria
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: alumino-silicatos | Calorimetria diferencial de varredura | caulinita | materiais não-cristalinos | moagem mecânica de alta energia | relaxação estrutural | calorimetria

Resumo

A moagem mecânica de alta energia (MMAE) é um método de processamento de materiais utilizado para produzir sólidos finamente particulados. Devido à grande área superficial do material resultante e à criação de defeitos superficiais, a reatividade pode ser incrementada significativamente. Assim, a MMAE é aplicada extensamente em áreas como cerâmicas, farmacologia, catálise, metalurgia, fabricação de baterias de estado sólido, e biomateriais. Do ponto de vista científico fundamental, o aspecto mais interesse da MMAE é a possibilidade de produzir materiais em estados fora do equilíbrio termodinâmico, em um processo realizado em temperatura ambiente. As colisões das esferas rígidas com os grãos do material produzem forças impulsivas intensas em pequenas áreas, capazes de induzir alterações na estrutura dos materiais, tais como amorfização, cristalização, geração de defeitos ou implantação de espécies químicas. Neste projeto de pesquisa serão analisadas as transformações estruturais induzidas pela MMAE em um alumino-silicato: a caulinita natural, amplamente utilizada como material primário na produção de cerâmicas e geopolímeros. Procura-se analisar a estrutura e as propriedades térmicas do material amorfizado produzido pela MMAE em moinho planetário de esferas. Com técnicas de RMN de 29Si e 27Al demonstramos que a caulinita atinge um estado totalmente amorfo após 500 minutos de moagem. A técnica de calorimetria diferencial de varredura (DSC) será utilizada para analisar processos de relaxação estrutural, cristalização e estabilidade termoquímica. Espera-se determinar qual é natureza deste material não-cristalino produzido em temperatura ambiente e quais seriam as diferenças com relação à metacaulinita, o estado não-cristalino resultante do processo irreversível de desoxidrilação (Al2O3. 2 SiO2. 2 H2O --> Al2O3 . 2 SiO2 + 2 H2O (g)) a partir de temperaturas acima de 400 oC. A metacaulinita é usada na síntese de geopolímeros. A MMAE poderia ser uma via alternativa para produzir um estado amorfo reativo e finamente particulado em um processo único a temperatura ambiente. Por outro lado, existe um fenômeno fundamental de particular interesse, específico dos materiais amorfizados através de MMAE. Quando o material é aquecido ocorre uma relaxação estrutural onde o sistema evolui a um estado de entropia menor, produzindo um evento exotérmico na análise de DSC [1]. Esta assinatura calorimétrica é idêntica à observada em vidros obtidos com altas taxas de esfriamento (> 10000 K/s, "hyperquench"), tais como fibras de vidro. O fenômeno é conhecido como relaxação sub-Tg, dado que ocorre em temperaturas relativamente baixas, abaixo da temperatura de transição vítrea Tg do material, em contraste com as relaxações estruturais normalmente observadas em sistemas vítreos. A presença deste evento calorimétrico nos materiais obtidos da MMAE é instigante, pois sugere a ocorrência de eventos de fusão-quench do material nas colisões. Estimativas em silicatos indicam que nas colisões é possível atingir variações de temperatura de 1000 K em regiões de escala de 100 nm em eventos de 100 ns de duração. Por este motivo, os experimentos de calorimetria são de grande interesse para identificar se na caulinita processada com MMAE existe este tipo de relaxação estrutural e se há uma transição vítrea. Uma análise deste tipo foi realizada recentemente em nosso laboratório em LiPO3 vitrificado com MMAE [2], o que mostra a experiência de nosso grupo nesta área.(1) Y. Yue, Hyperquenched Glasses: Relaxation and Properties, in: P.Richet, R. Conradt, A. Takada, J. Dyon (EdS.), Encyclopedia of Glass Science, Technology, History, and Culture, The American Ceramic Society, John Wiley & Sons, New Jersey, 2021, Volume I, First Edition,p349.(2) Ferreira, M.J.; Schneider, J.F. Solid-state vitrification of LiPO3 through mechanical milling. Mat. Chem. and Phys., 328, p.129958, 2024