FORMAÇÃO DE ESTRUTURAS COMPLEXAS TRIDIMENSIONAIS EM GÉIS DE POLIFOSFATO DE ALUMÍNIO

André Galembeck¹ (PQ) e Fernando Galembeck² (PQ)

¹Departamento de Química Fundamental/CCEN, Universidade Federal de Pernambuco, Av Luiz Freire s/n, CDU, CEP 50740-540, Recife­ – PE

² Instituto de Química, Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP), Cidade Universitária Zeferino Vaz s/n, CP 6154, CEP 13081-970, Campinas ­– SP

palavras-chave: géis, polifosfato de alumínio, estruturas complexas

Introdução

A formação de estruturas complexas em sistemas dinâmicos em estados de não-equilíbrio apresenta como exemplos clássicos a reação de Belousov-Zhabotinski, os anéis de Liesegang e as células de Bénard.

Do ponto de vista da obtenção de materiais, este tipo de fenômeno abre uma série de possibilidades para a criação de estruturas complexas, desenhos e impressão de padrões tridimensionais em escala milimétrica e micrométrica. A obtenção de estruturas complexas e formadas espontaneamente mas de maneira controlada tem sido motivo de extensos estudos na busca de novos métodos de microfabricação em duas e três dimensões.

Neste trabalho descrevemos a obtenção de estruturas tridimensionais e a formação de estruturas complexas em géis de polifosfato de alumínio pela ação de um laser de Nd-YAG, com emissão no infravermelho próximo (9394 cm^-1).

Objetivos

Estudo sistemático da formação e da evolução das estruturas complexas formadas em géis de polifosfato de alumínio submetidos a um feixe de laser no infravermelho próximo (9394 cm^-1), sob diferentes condições experimentais.

Parte Experimental

Os géis de polifosfato de alumínio foram obtidos a partir de soluções de polifosfato de sódio 2,0 M e de nitrato de alumínio 1,0 M, com razão estequiométrica na faixa de 2,0 < P/Al < 2,8. As soluções são misturadas sob agitação vigorosa, à temperatura ambiente e o sistema sofre gelificação, sendo mantido sob agitação por 30 minutos, levando à formação de um gel branco opaco. Este gel é submetido à centrifugação sob campo inercial de 10⁴ x g, sofrendo sinérese (perda de água) e tornando-se transparente.

Foram preparados filmes dos géis de polifosfato de alumínio, prensando o material entre dois filmes de polietileno. Esses filmes foram expostos a um feixe de laser com emissão no infravermelho próximo (9394 cm^-1), com potência de 20 mW, por períodos de tempo que variaram entre 1 segundo e 10 minutos. Após a exposição ao feixe, a formação de estruturas no gel e a sua evolução com o tempo foram acompanhadas através de uma câmara CCD acoplada a um microscópio Edmund (zoom, até 80x) e gravadas em vídeo Super VHS.

Resultados e Discussão

Os géis de polifosfato apresentam dois tipos de comportamentos distintos quando irradiados pelo laser: (i) formação de um padrão composto por anéis concêntricos, sendo que o número de anéis formados depende do tempo e da potência do laser e; (ii) formação de padrão semelhante ao descrito em (i), mas que, uma vez cessada a exposição ao laser, apresenta uma evolução com formação de estruturas complexas, da maneira apresentada na Figura 1. Como o gel sofre secagem ao ser exposto ao ar, o material enrijece e as estruturas se mantêm.

Figura 1. Seqüência de imagens mostrando a formação de estruturas em gel de polifosfato de alumínio (P/Al =2,5) submetido a um feixe de laser de Nd-YAG de 20 mW por um período de 30 segundos.

Na Figura 1, as regiões com maior brilho devem ser interpretadas como sendo saliências na superfície do material. A formação de estrutura origina-se a partir dos anéis observados inicialmente. Observa-se que com o passar do tempo o gel tende a sofrer uma certa contração, até secar.

Propomos o seguinte mecanismo para explicar os fenômenos aqui relatados: (i) os anéis concêntricos são formados por causa da distribuição espacial do feixe do laser; (ii) acima de um certo valor de viscosidade do gel o padrão “impresso” pelo laser forma uma estrutura tridimensional rígida; (iii) em géis com menor viscosidade o padrão inicialmente impresso pelo laser causa uma perturbação no sistema e a segmetação do gel ocorre no momento em que o sistema tende a relaxar; (v) como ocorre a secagem do gel durante esse período, a estrutura formada se mantém e o sistema é incapaz de relaxar de volta ao estado inicial, mantendo a estrutura formada. Um outro mecanismo possível é a formação de anéis em consequência da difusão de calor associada às reações de solvatação e dessolvatação dos íons do gel, seguida da segmentação dos anéis dirigida pela tensão superficial.

Conclusão

São duas as principais conclusões deste trabalho, uma de cunho científico e outra de cunho tecnológico: (i) temos aqui um exemplo inédito da formação de estruturas complexas em sistemas dinâmicos; (ii) a técnica descrita pode ser utilizada na fabricação de microestruturas tridimensionais, com a impressão de padrões.

FAPESP, Pronex/Finep/MCT, Serrana de Mineração S.A.