{"id":18808,"date":"2018-02-28T18:20:45","date_gmt":"2018-02-28T18:20:45","guid":{"rendered":"https:\/\/cnpem.staging.wpengine.com\/?p=18808"},"modified":"2022-01-21T15:35:53","modified_gmt":"2022-01-21T18:35:53","slug":"material-ultrarresistente-e-obtido-a-partir-de-ideia-do-seculo-19","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/cnpem.br\/en\/material-ultrarresistente-e-obtido-a-partir-de-ideia-do-seculo-19\/","title":{"rendered":"Material ultrarresistente \u00e9 obtido a partir de ideia do s\u00e9culo 19"},"content":{"rendered":"

Ag\u00eancia FAPESP<\/a>, 26 de fevereiro de 2018<\/p>\n

Elton Alisson\u00a0 |\u00a0 Ag\u00eancia FAPESP<\/b>\u00a0\u2013 Em 1880, o matem\u00e1tico alem\u00e3o Karl Hermann Amandus Schwarz (1843-1921) idealizou estruturas com geometrias complexas, em que as superf\u00edcies s\u00e3o m\u00ednimas e peri\u00f3dicas (com padr\u00f5es que se repetem) e com curvatura negativa, como as de uma sela de cavalo.<\/p>\n

Mais de 100 anos depois, em 1991, o f\u00edsico mexicano Humberto Terrones e o qu\u00edmico ingl\u00eas Alan Mckay propuseram que a inclus\u00e3o de an\u00e9is de carbono com mais de seis \u00e1tomos em uma malha hexagonal de grafite poderia dar origem a estruturas peri\u00f3dicas com curvatura negativa, como as que Schwarz imaginou, e semelhante \u00e0 dos ze\u00f3litos \u2013 minerais com estrutura porosa e tridimensional.<\/p>\n

Essas estruturas cristalinas esponjosas, denominadas schwarzitas por Terrones e Mckay, em homenagem ao matem\u00e1tico alem\u00e3o, poderiam ter centenas de \u00e1tomos e c\u00e9lulas porosas e dar origem a materiais r\u00edgidos semelhantes \u00e0 espuma, com caracter\u00edsticas e propriedades mec\u00e2nicas e eletromagn\u00e9ticas incomuns. Essas estruturas, contudo, s\u00f3 existiam em teoria.<\/p>\n

Agora, um grupo de pesquisadores do Instituto de F\u00edsica Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp), vinculado ao\u00a0Centro de Engenharia e Ci\u00eancias Computacionais<\/a><\/b>\u00a0(CECC) \u2013 um dos Centros de Pesquisa, Inova\u00e7\u00e3o e Difus\u00e3o (CEPIDs<\/a><\/b>) financiados pela FAPESP \u2013, conseguiu, em colabora\u00e7\u00e3o com colegas da Rice University, dos Estados Unidos, encontrar uma maneira pr\u00e1tica de gerar esses materiais em escala real.<\/p>\n

A t\u00e9cnica para constru\u00e7\u00e3o e os resultados de experimentos de avalia\u00e7\u00e3o da resist\u00eancia dos materiais \u00e0 compress\u00e3o e ao impacto foram descritos na revista\u00a0Advanced Materials<\/i>. \u201cConseguimos gerar em escala macrosc\u00f3pica materiais que s\u00f3 existiam em escala at\u00f4mica\u201d, disse Douglas Galv\u00e3o, professor do IFGW-Unicamp e um dos autores do estudo, \u00e0\u00a0Ag\u00eancia FAPESP<\/b>.<\/p>\n

Para obter o material, os pesquisadores projetaram inicialmente, por meio de algoritmos computacionais, modelos em escala at\u00f4mica de estruturas porosas de duas fam\u00edlias diferentes de schwarzitas, a primitiva e a giromana.<\/p>\n

Os modelos moleculares da fam\u00edlia primitiva continham 48 e 192 \u00e1tomos por unidade de c\u00e9lula, respectivamente, enquanto os modelos da fam\u00edlia giromana tinham 96 e 384 \u00e1tomos. As estruturas possu\u00edam superf\u00edcies m\u00ednimas peri\u00f3dicas, conforme as que foram concebidas originalmente por Schwarz.<\/p>\n

Os dados das quatro estruturas moleculares foram compilados por um software de modelagem computacional, em modelos tridimensionais. Os modelos foram impressos em pol\u00edmero, na forma de cubos e na escala de cent\u00edmetros de comprimento, por impressoras 3D.<\/p>\n

\u201cA ideia foi desenvolver um material com propriedades ex\u00f3ticas, como a schwarzita, em escala at\u00f4mica, construir um modelo em macroescala a partir dele e imprimir essa estrutura em escala real, por meio de uma impressora 3D, para verificar se ele mant\u00e9m essas propriedades, como a de alt\u00edssima resist\u00eancia\u201d, explicou Galv\u00e3o.<\/p>\n

Testes de resist\u00eancia<\/b><\/p>\n

Os pesquisadores avaliaram a resist\u00eancia \u00e0 compress\u00e3o e ao impacto mec\u00e2nico tanto das estruturas em n\u00edvel at\u00f4mico \u2013 por simula\u00e7\u00e3o \u2013, como dos modelos impressos em 3D.<\/p>\n

Os resultados indicaram que as estruturas apresentam alta resist\u00eancia ao impacto e \u00e0 compress\u00e3o mec\u00e2nica em n\u00edvel at\u00f4mico e em macroescala, devido a um mecanismo de deforma\u00e7\u00e3o em camadas.<\/p>\n

Ao aplicar for\u00e7a em um lado do material, ele se deforma lentamente e de forma n\u00e3o homog\u00eanea. Isso porque os poros das camadas mais altas, que sofrem mais diretamente a press\u00e3o, se fecham primeiro e, na sequ\u00eancia, fecham os abaixo deles.<\/p>\n

\u201cEsse mecanismo de deforma\u00e7\u00e3o do material \u00e9 muito semelhante ao das conchas marinhas, que tem uma matriz mineral, composta por calcita, e uma camada de prote\u00ednas que absorve press\u00f5es extremas, sem fraturar, ao transferir o estresse em todas as suas estruturas\u201d, disse Galv\u00e3o.<\/p>\n

\u201cO que \u00e9 interessante no caso das estruturas de schwarzitas que geramos \u00e9 que elas s\u00e3o compostas de apenas um material \u2013 o pol\u00edmero PLA, usado em impressoras 3D \u2013, e n\u00e3o dois, como as conchas, que t\u00eam a matriz mineral e a parte org\u00e2nica juntas\u201d, ressaltou.<\/p>\n

Os resultados dos ensaios tamb\u00e9m mostraram que as estruturas de schwarzitas apresentam uma resili\u00eancia not\u00e1vel sob compress\u00e3o mec\u00e2nica. Elas podem ser reduzidas \u00e0 metade do seu tamanho original antes de apresentar falha estrutural (fratura).<\/p>\n

Os testes indicaram que a carga aplicada foi transferida para toda a geometria das estruturas, independentemente de qual lado foi comprimido, tanto nas simula\u00e7\u00f5es das estruturas em n\u00edvel at\u00f4mico como nos modelos impressos.<\/p>\n

\u201cNos surpreendeu que algumas caracter\u00edsticas das estruturas em escala at\u00f4mica foram preservadas nas estruturas impressas em 3D\u201d, disse Galv\u00e3o, que estuda nanoestruturas por meio de simula\u00e7\u00f5es computacionais de din\u00e2mica molecular.<\/p>\n

A caracter\u00edstica do material que mais surpreendeu os pesquisadores, entretanto, foi a resist\u00eancia mec\u00e2nica. Ao soltar quase 10 quilogramas do material a uma altura de 1 metro ele n\u00e3o quebrou.<\/p>\n

\u201cEstamos analisando agora outra fam\u00edlia de schwarzita, com estrutura muito parecida com a do diamante. Os resultados s\u00e3o ainda mais impressionantes. N\u00e3o foi poss\u00edvel quebrar o material com as m\u00e1quinas para testes de resist\u00eancia dispon\u00edveis no CNPEM [Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais]. Essa alta resist\u00eancia do material \u00e9 proporcionada por sua topologia\u201d, disse Galv\u00e3o.<\/p>\n

Resistente e complexo<\/b><\/p>\n

Algumas das poss\u00edveis aplica\u00e7\u00f5es das estruturas de schwarzitas geradas pelos pesquisadores s\u00e3o em prote\u00e7\u00e3o bal\u00edstica \u2013 em coletes \u00e0 prova de bala \u2013 e em componentes resistentes a impactos e altas cargas para edif\u00edcios, carros e aeronaves.<\/p>\n

\u201cComo \u00e9 um pol\u00edmero, n\u00e3o sabemos se, ao ser usado em um colete \u00e0 prova de bala, o calor de uma bala poderia fundi-lo localmente. Pretendemos realizar ensaios para verificar isso\u201d, disse Galv\u00e3o.<\/p>\n

Os pesquisadores pretendem agora refinar as superf\u00edcies das estruturas com impressoras 3D de maior resolu\u00e7\u00e3o e reduzir a quantidade de pol\u00edmero para tornar os blocos ainda mais leves. Outra ideia \u00e9 utilizar materiais cer\u00e2micos e met\u00e1licos em maior escala, e n\u00e3o somente na forma de blocos, para construir estruturas ultraduras.<\/p>\n

\u201cTemos uma receita, agora, para buscar na literatura estruturas interessantes, em escala at\u00f4mica, e que nunca foram sintetizadas por sua complexidade, e criar modelos delas em macroescala\u201d, avaliou Galv\u00e3o.<\/p>\n

O v\u00eddeo sobre o processo de constru\u00e7\u00e3o das estruturas de schwarzitas pode ser visto em\u00a0www.youtube.com\/watch?v=VBFMYwys3k8&feature=youtu.be<\/a><\/b>\u00a0(a seguir).<\/p>\n