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    O tamanho da partícula é importante para blocos de construção porosos

    Filmes finos (à esquerda) e espessos feitos de nanopartículas porosas de cálcio e silicato reagiram de forma diferente sob pressão, conforme testado em um laboratório da Rice University. As partículas nos filmes finos saíram do caminho para um nanoindentro e permitiram que o filme permanecesse intacto, enquanto filmes espessos rachavam. Crédito:Laboratório de Materiais Multiescala / Universidade do Arroz

    Partículas porosas de cálcio e silicato mostram potencial como blocos de construção para uma série de aplicações, como materiais de autocura, engenharia de tecido ósseo, entrega de drogas, isolamento, cerâmicas e materiais de construção, de acordo com os engenheiros da Rice University, que decidiram ver como eles atuam em nanoescala.

    Seguindo o trabalho anterior em materiais de autocura usando blocos de construção porosos, O cientista de materiais de arroz Rouzbeh Shahsavari e o estudante de graduação Sung Hoon Hwang fizeram uma ampla gama de partículas porosas entre 150 e 550 nanômetros de diâmetro - milhares de vezes menores do que a espessura de uma folha de papel - com poros da mesma largura de uma fita de DNA.

    Em seguida, eles montaram as partículas em folhas e pelotas de tamanho mícron para ver o quão bem as matrizes resistiram à pressão de um nanoindentador, que testa a dureza de um material.

    Os resultados de mais de 900 testes, relatado este mês no American Chemical Society's Materiais e interfaces aplicados ACS , mostraram que nanopartículas individuais maiores eram 120% mais resistentes do que as menores.

    Esse, Shahsavari disse, foi uma evidência clara de um efeito de tamanho intrínseco onde as partículas entre 300 e 500 nanômetros passaram de frágeis para dúcteis, ou flexível, mesmo que todos tenham os mesmos poros pequenos, de 2 a 4 nanômetros. Mas eles ficaram surpresos ao descobrir que, quando as mesmas partículas grandes foram empilhadas, o efeito do tamanho não foi transportado inteiramente para as estruturas maiores.

    Os cientistas de materiais da Rice University testaram estruturas feitas de nanopartículas de silicato de cálcio e descobriram que as partículas vão de frágeis a dúcteis à medida que aumentam de tamanho. A única partícula comprimida à esquerda deformou-se sob a pressão de um nanoindentador. No centro e à direita, as partículas grandes não racharam sob pressão. Crédito:Laboratório de Materiais Multiescala / Universidade do Arroz

    Os princípios revelados devem ser importantes para cientistas e engenheiros que estudam nanopartículas como blocos de construção em todos os tipos de fabricação de baixo para cima.

    "Com blocos de construção porosos, controlar a ligação entre a porosidade, o tamanho da partícula e as propriedades mecânicas são essenciais para a integridade do sistema para qualquer aplicação, "Shahsavari disse." Neste trabalho, descobrimos que há uma transição frágil para dúctil ao aumentar o tamanho da partícula, mantendo o tamanho do poro constante.

    "Isso significa que partículas maiores de silicato de cálcio submicrônicas são mais resistentes e mais flexíveis em comparação com as menores, tornando-os mais tolerantes a danos, " ele disse.

    O laboratório testou matrizes automontadas das esferas minúsculas, bem como matrizes compactadas sob o equivalente a 5 toneladas dentro de uma prensa cilíndrica.

    Cientistas de materiais da Rice University sintetizaram esféricos, nanopartículas porosas de cálcio e silicato, formaram filmes e pelotas e testaram sua tenacidade sob pressão de um nanoindentador. Eles descobriram que filmes feitos de partículas maiores com aproximadamente 500 nanômetros eram muito mais resistentes e os filmes e pelotas menos propensos a rachar sob pressão. À direita, partículas pequenas são deformadas após a nanoindentação. Crédito:Laboratório de Materiais Multiescala / Universidade do Arroz

    Quatro tamanhos de esferas foram autorizados a se automontar em filmes. Quando estes foram sujeitos a nanoindentação, os pesquisadores descobriram que o efeito intrínseco do tamanho desapareceu amplamente à medida que os filmes apresentavam rigidez variável. Onde era fino, as partículas fracamente ligadas simplesmente abriram caminho para o penetrador afundar até o substrato de vidro. Onde era espesso, o filme rachou.

    "Observamos que a rigidez aumenta em função das forças de indentação aplicadas porque, à medida que a força máxima é aumentada, leva a uma maior densificação das partículas sob carga, "Shahsavari disse." No momento em que o pico de carga é alcançado, as partículas são densamente compactadas e começam a se comportar coletivamente como um único filme. "

    Pelotas feitas de nanoesferas compactadas de vários diâmetros deformadas sob pressão do nanoindentador, mas não mostraram evidências de ficarem mais resistentes sob pressão, eles relataram.

    "Como próximo passo, estamos interessados ​​em fabricar superestruturas auto-montadas com tamanho de partícula ajustável que melhor habilite as funcionalidades pretendidas, como carregar e descarregar com selantes sensíveis a estímulos, ao mesmo tempo que oferece a melhor integridade mecânica, "Shahsavari disse.


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