Nióbio cria novos tipos de vidros especiais de alta tecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/08/2023

Imagem de vidro não homogêneo desenvolvido pela equipe.
[Imagem: Nilanjana Shasmal/CeRTEV]

Vidros especiais

Pesquisadores brasileiros desenvolveram uma técnica que permite melhorar a estabilidade mecânica e térmica dos chamados vidros especiais.

Os vidros de alta qualidade estão praticamente onipresentes em nosso cotidiano, das telas de celulares aos componentes de microscópios e telescópios voltados para a pesquisa científica, além das fibras ópticas destinadas à transmissão de dados e até órteses vitrocerâmicas cada vez mais empregadas em medicina.

Henrik Bradtmuller e seus colegas do CERTEV (Centro de Pesquisa, Educação e Inovação em Vidros), sediado na Universidade Federal de São Carlos, mostraram, pela primeira vez, que a inclusão de óxido de nióbio (Nb₂O₅) nos vidros à base de silício (Si) faz uma enorme diferença, resultando na "polimerização" da rede de silício, aumentando a densidade das ligações e a conectividade do material.

Além disso, teores mais altos de nióbio (Nb) levam ao agrupamento do óxido, aumentando a polarizabilidade eletrônica do vidro, com um impacto importante em suas propriedades ópticas, contou o pesquisador.

A qualidade superior do vidro foi atestada por uma combinação de modelos computacionais com análises experimentais, usando espectroscopia por ressonância magnética nuclear e espectroscopia Raman.

"Nossa estratégia, combinando essas duas técnicas observacionais com modelagem computacional, poderá ser utilizada para estudar elementos funcionais de muitos outros tipos de vidro, incluindo materiais ópticos, vidros bioativos e condutores vítreos de íons rápidos. Isso facilitará o design de formulações de vidro inovadoras, adaptadas a várias aplicações," destacou Bradtmuller.

O lítio e o nióbio estão envolvidos nas pesquisas de vidros especiais, mas o nióbio acaba de se mostrar especialmente interessante.
[Imagem: Henrik Bradtmuller et al. - 10.1016/j.actamat.2023.119061]

Importância do nióbio nos vidros

Para atender às aplicações avançadas em dispositivos de alta tecnologia, os cientistas de materiais estão focando no design de vidros com propriedades ajustadas para cada aplicação, usando sobretudo recursos computacionais como aprendizado de máquina.

No entanto, isso depende de dois fatores críticos: Criar bases de dados abrangentes e confiáveis; e definir parâmetros estruturais que considerem a complexa natureza físico-química do vidro e suas propriedades funcionais. É aqui que entra a principal contribuição da equipe brasileira.

"Há uma classe de óxidos, chamados de intermediários, que desempenha papel estratégico nesse novo momento tecnológico. Eles não formam vidro sob condições-padrão de resfriamento em laboratório. Mas, na presença de outros óxidos, podem contribuir positivamente, compondo pontes de oxigênio e conferindo ao vidro formado propriedades de interesse. É o caso do óxido de nióbio," detalhou Bradtmuller.

Os vidros contendo nióbio são valorizados por suas propriedades ópticas não-lineares, com aplicações potenciais em dispositivos optoelétricos, bem como por suas propriedades mecânicas, sendo utilizados na confecção de materiais bioativos.

Mas foi a equipe brasileira que descobriu agora que a adição de nióbio causa uma espécie de polimerização da rede de silício-oxigênio (Si-O), aumentando a conectividade dos elementos componentes do vidro, o que torna o nióbio um "formador de rede". Enquanto nos vidros silicatos (baseados em sílica), na escala de 5 a 10 nanômetros, íons de lítio se distribuem de forma aleatória, o nióbio tende a formar aglomerados, um tipo de arranjo estrutural que jamais havia sido observado.

"Apesar de vários estudos com Nb₂O₅ já terem sido conduzidos, o papel estrutural do nióbio permanecia obscuro, principalmente devido à falta de dados sistemáticos de caracterização espectroscópica. Foi essa lacuna de conhecimento que preenchemos com o nosso estudo," concluiu Bradtmuller.

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