Nácar, também conhecido como madrepérola, é difícil, componente forte e leve das conchas do mar. A estrutura microscópica do nácar mostra plaquetas ligadas por uma matriz mais macia para formar um compósito com propriedades de materiais que os cientistas tentam imitar em compósitos sintéticos. Uma nova fórmula de pesquisadores da Rice University visa simplificar o processo. Crédito:Wikipedia
Madrepérola, a camada iridescente nas conchas de alguns moluscos, inspirou um estudo da Rice University que ajudará cientistas e engenheiros a julgar a força final, rigidez e resistência de materiais compostos para qualquer coisa, desde eletrônicos em nanoescala a edifícios.
Os pesquisadores do arroz Rouzbeh Shahsavari e Navid Sakhavand criaram mapas universais que prevêem as propriedades de compostos de matriz plaquetária naturais e biomiméticos (como nácar, também conhecida como madrepérola) e pilhas sintéticas (ou heteroestruturas) de materiais como grafeno e nitreto de boro.
Eles disseram que seus mapas desenhados por computador são "adimensionais" e suas descobertas funcionarão tão bem para materiais construídos com blocos em nanoescala quanto para uma parede de tijolos. ou maior.
"Essa é a beleza dessa abordagem:ela pode ser dimensionada para algo muito grande ou muito pequeno, "disse Shahsavari, professor assistente de engenharia civil e ambiental e de ciência e engenharia de materiais.
A pesquisa apareceu esta semana em Nature Communications .
A fórmula se baseia em quatro características dos materiais individuais em consideração para um composto:seu comprimento, uma proporção com base em sua respectiva rigidez, sua plasticidade e como eles se sobrepõem.
Essas são as entradas, disse Sakhavand, um estudante de graduação no laboratório de Shahsavari. "Se você os conhece, você pode prever a rigidez, resistência e tenacidade do compósito final. Chamamos isso de mapa universal porque todos esses parâmetros de entrada são relevantes para todos os compostos e suas propriedades estruturais. "
Para cientistas e engenheiros de materiais, rigidez, tenacidade e resistência são distintas, propriedades mecânicas importantes. Força é a capacidade de um material permanecer junto quando esticado ou comprimido. Rigidez é o quão bem um material resiste à deformação. A tenacidade é a capacidade de um material de absorver energia antes da falha.
Os mapas de projeto dos pesquisadores mostram como os materiais se classificam em todas as três categorias e onde eles se sobrepõem. Seu objetivo é ajudar os engenheiros a calcular as qualidades finais de um material e reduzir a tentativa e erro.
O estudo começou quando Shahsavari deu uma olhada de perto na arquitetura do nácar, que maximiza a força e a resistência, que normalmente são propriedades mutuamente exclusivas em materiais de engenharia. Sob um microscópio, o nácar se parece com uma parede de tijolos bem construída com plaquetas sobrepostas de diferentes comprimentos mantidas juntas por finas camadas de um biopolímero elástico.
Os pesquisadores do arroz Rouzbeh Shahsavari, deixou, e Navid Sakhavand criaram mapas universais que prevêem as propriedades de compostos de matriz de plaquetas naturais e biomiméticos e pilhas sintéticas de materiais como grafeno e nitreto de boro. Crédito:Jeff Fitlow / Rice University
"Tem uma estrutura e propriedades muito particulares:otimiza diferentes propriedades mecânicas ao mesmo tempo." Sakhavand disse.
Contudo, a engenharia de compósitos tipo nácar tem sido difícil até agora, "principalmente por causa da falta de um mapa de design que possa revelar as várias ligações entre a estrutura, materiais e propriedades de materiais semelhantes ao nácar, "Shahsavari disse.
Ele disse que o trabalho é um marco importante para uma melhor capacidade de decodificar e replicar a arquitetura do nácar para peso leve, compostos de alto desempenho. Isso poderia beneficiar o setor aeroespacial, indústrias automotivas e de construção, ele disse.
Uma ilustração produzida por cientistas da Rice University compara as propriedades de estruturas compostas com base em seus cálculos. Os pesquisadores criaram um mapa de design que prevê a resistência, rigidez e tenacidade dos compósitos, independentemente do tamanho. Crédito:Shahsavari Group / Rice University
O trabalho dos pesquisadores do Rice durou três anos de cálculo e experimentação que envolveu o mapeamento das propriedades de compostos naturais como colágeno e seda de aranha, bem como pilhas sintéticas como nitreto de boro hexagonal / grafeno e silumin / alumina. Eles também testaram sua teoria em escala macro, Compósitos impressos em 3-D de plástico rígido e borracha macia que imitavam as propriedades observadas no nácar.
Um mapa de 15 dos materiais testados mostra que os naturais, como o nácar, tendem a ser fortes e resistentes, enquanto os sintéticos tendem a ser fortes e rígidos. Shahsavari disse que espera que os cientistas de materiais usem os mapas do projeto para dar a seus compostos a melhor combinação possível das três propriedades.
