Engenheiros do MIT, Caltech e ETH Zürich descobrem que materiais "nanoarquitectados" projetados a partir de estruturas em nanoescala precisamente padronizadas (foto) podem ser um caminho promissor para armaduras leves, revestimentos de proteção, escudos de explosão e outros materiais resistentes a impactos. Crédito: Carlos Portela

Um novo estudo realizado por engenheiros do MIT, Caltech e ETH Zürich mostra que materiais “nanoarquitetados” – materiais projetados a partir de estruturas em nanoescala precisamente padronizadas – podem ser um caminho promissor para armaduras leves, revestimentos de proteção, escudos de explosão e outros materiais resistentes a impactos.

Os pesquisadores fabricaram um material ultraleve feito de escoras de carbono em escala nanométrica que conferem resistência ao material e robustez mecânica. A equipe testou a resiliência do material disparando micropartículas em velocidades supersônicas e descobriu que o material, que é mais fino do que a largura de um cabelo humano, evitou que os projéteis em miniatura o rasgassem.

Os pesquisadores calculam que, em comparação com aço, Kevlar, alumínio e outros materiais resistentes a impactos de peso comparável, o novo material é mais eficiente na absorção de impactos.

“A mesma quantidade de massa do nosso material seria muito mais eficiente para parar um projétil do que a mesma quantidade de massa do Kevlar”, diz o principal autor do estudo, Carlos Portela, professor assistente de engenharia mecânica do MIT.

Se produzidos em grande escala, este e outros materiais nanoarquitetados poderiam ser projetados como alternativas mais leves e resistentes ao Kevlar e ao aço.

“O conhecimento deste trabalho … pode fornecer princípios de design para materiais ultraleves resistentes ao impacto [para uso em] materiais de blindagem eficientes, revestimentos de proteção e escudos resistentes a explosões desejáveis ​​em aplicações de defesa e espaciais”, diz a coautora Julia R. Greer, professor de ciência dos materiais, mecânica e engenharia médica na Caltech, cujo laboratório liderou a fabricação do material.

A equipe, que relata seus resultados hoje na revista Nature Materials, inclui David Veysset, Yuchen Sun e Keith A. Nelson, do Instituto de Nanotecnologias de Soldados e do Departamento de Química do MIT, e Dennis M. Kochmann da ETH Zürich.

De quebradiço a flexível

Um material nanoarquitectado consiste em estruturas padronizadas em escala nanométrica que, dependendo de como estão dispostas, podem dar aos materiais propriedades únicas, como leveza e resiliência excepcionais. Como tal, os materiais nanoarquitectados são vistos como materiais potencialmente mais leves e resistentes ao impacto. Mas esse potencial ainda não foi testado.

“Nós só sabemos sobre sua resposta em um regime de deformação lenta, enquanto muito de seu uso prático é hipotetizado em aplicações do mundo real, onde nada se deforma lentamente”, diz Portela.

A equipe começou a estudar materiais nanoarquitectados sob condições de deformação rápida, como durante impactos de alta velocidade. Na Caltech, eles primeiro fabricaram um material nanoarquitected usando litografia de dois fótons, uma técnica que usa um laser rápido e de alta potência para solidificar estruturas microscópicas em uma resina fotossensível. Os pesquisadores construíram um padrão de repetição conhecido como tetrakaidecaedro – uma configuração de rede composta de suportes microscópicos.

“Historicamente, essa geometria aparece em espumas de mitigação de energia”, diz Portela, que optou por replicar essa arquitetura semelhante a espuma em um material de carbono em nanoescala, para conferir uma propriedade flexível de absorção de impacto ao material normalmente rígido. “Embora o carbono seja normalmente frágil, o arranjo e os pequenos tamanhos das escoras no material nanoarquitectado dão origem a uma arquitetura elástica e dominada por dobras.”

Depois de padronizar a estrutura da rede, os pesquisadores lavaram a resina restante e a colocaram em um forno a vácuo de alta temperatura para converter o polímero em carbono, deixando para trás um material de carbono ultraleve e nanoarquitectado.

Mais rápido que a velocidade do som

Para testar a resiliência do material à deformação extrema, a equipe realizou experimentos de impacto de micropartículas no MIT usando testes de impacto de partícula induzidos por laser. A técnica visa um laser ultrarrápido através de uma lâmina de vidro revestida com uma fina película de ouro, que por sua vez é revestida com uma camada de micropartículas – neste caso, partículas de óxido de silício de 14 mícrons. Conforme o laser passa pela lâmina, ele gera um plasma, ou uma rápida expansão do gás do ouro, que empurra as partículas de óxido de silício na direção do laser. Isso faz com que as micropartículas acelerem rapidamente em direção ao alvo.

Os pesquisadores podem ajustar a potência do laser para controlar a velocidade dos projéteis das micropartículas. Em seus experimentos, eles exploraram uma faixa de velocidades de micropartículas, de 40 a 1.100 metros por segundo, bem dentro da faixa supersônica.

“Supersônico é qualquer coisa acima de aproximadamente 340 metros por segundo, que é a velocidade do som no ar ao nível do mar”, diz Portela. “Então, alguns experimentos alcançaram o dobro da velocidade do som, facilmente.”

Usando uma câmera de alta velocidade, eles capturaram vídeos das micropartículas causando impacto com o material nanoarquitizado. Eles haviam fabricado material de duas densidades diferentes – o material menos denso tinha escoras ligeiramente mais finas que o outro. Quando eles compararam a resposta ao impacto de ambos os materiais, eles descobriram que o mais denso era mais resistente e as micropartículas tendiam a se incorporar ao material em vez de rasgar.

Para dar uma olhada mais de perto, os pesquisadores cortaram cuidadosamente as micropartículas embutidas e os materiais, e descobriram na região logo abaixo de uma partícula embutida que os suportes e feixes microscópicos amassaram e compactaram em resposta ao impacto, mas a arquitetura ao redor permaneceu intacta.

“Mostramos que o material pode absorver muita energia por causa desse mecanismo de compactação de choque das escoras em nanoescala, em comparação com algo totalmente denso e monolítico, não nanoarquitetado”, diz Portela.

Curiosamente, a equipe descobriu que poderia prever o tipo de dano que o material sustentaria usando uma estrutura de análise dimensional para caracterizar os impactos planetários. Usando um princípio conhecido como teorema de Buckingham-Π, esta análise é responsável por várias quantidades físicas, como a velocidade de um meteoro e a força do material da superfície de um planeta, para calcular uma “eficiência de cratera”, ou a probabilidade e extensão em que um meteoro vai escavar um material.

Quando a equipe adaptou a equação às propriedades físicas de seu filme nanoarquitetado e ao tamanho e velocidade das micropartículas, eles descobriram que a estrutura podia prever o tipo de impacto que seus dados experimentais mostravam.

No futuro, Portela diz que a estrutura pode ser usada para prever a resiliência ao impacto de outros materiais nanoarquitetados. Ele planeja explorar várias configurações nanoestruturadas, bem como outros materiais além do carbono, e maneiras de aumentar sua produção – tudo com o objetivo de projetar materiais de proteção mais resistentes e leves.

“Os materiais nanoarquitetados são realmente promissores como materiais de mitigação de impacto”, diz Portela. “Há muito que não sabemos sobre eles ainda, e estamos começando este caminho para responder a essas perguntas e abrir a porta para suas aplicações generalizadas.”

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