Seção transversal de um bambu selvagem Phyllostachys pubescens. As fibras (feixes vasculares) ao redor das aberturas pretas em forma de coração têm uma distribuição mais densa em direção à parte externa. Crédito:Sato M., et al., PLOS ONE, 3 de maio, 2017
A distribuição espacial de fibras em cilindros ocos de bambu é otimizada para reforçar a rigidez flexural, uma nova descoberta que lança luz sobre abordagens biomiméticas no desenvolvimento de materiais.
Leve e resistente, o bambu é amplamente usado como um produto natural, material funcional no Japão e em outros países asiáticos. O bambu é leve devido à sua estrutura oca, o que permite que a planta cresça mais rápido com pequenas quantidades de partes lenhosas e se exponha à luz do sol acima de outras árvores. Mas essa leveza também deixa o bambu vulnerável a fortes ventos laterais e pode tornar difícil para a planta suportar seu próprio peso. Para superar essa lacuna, as partes lenhosas do bambu são reforçadas com fibras finas, mas robustas (feixes vasculares). Cada fibra é tão rígida quanto o aço.
O exame de uma seção transversal do bambu revela que as fibras nas partes lenhosas não estão distribuídas igualmente. A densidade das fibras torna-se gradualmente mais espessa da superfície interna para a externa, sugerindo que as partes externas são, falando mecanicamente, mais forte do que as partes internas. Isso é razoável porque as partes externas recebem mais força quando o cilindro é dobrado.
Para determinar a relação entre a distribuição das fibras de reforço em um colmo e a rigidez flexural do colmo, pesquisadores da Universidade de Hokkaido, A Universidade Provincial de Kumamoto e a Universidade de Yamanashi compararam os dados da distribuição de fibra do bambu real com a distribuição ideal de fibra teoricamente derivada.
Surpreendentemente, os dados reais do bambu exibiram quase a mesma distribuição de fibra que aquele com o teórico, distribuição ideal de fibras. Perto da raiz do colmo, onde um grande número de fibras são encontradas, a distribuição real da fibra correspondeu à forma quadrática derivada teoricamente para a distribuição do gradiente. Perto da ponta do colmo, onde há muito menos fibras do que perto da raiz, os dados experimentais corresponderam à distribuição linear calculada de acordo com a teoria.
As curvas de distribuição de gradiente na seção transversal real do bambu (à esquerda) corresponderam às curvas calculadas com base em uma teoria mecânica para rigidez de flexão ideal (à direita). O valor de n é um número de entrenó atribuído da raiz à ponta. Crédito:Sato M., et al., PLOS ONE, 3 de maio, 2017
Como resultado, os pesquisadores descobriram que o bambu ajusta com precisão a distribuição das fibras para que a rigidez flexural seja maximizada com o menor volume possível de material de madeira. A teoria mecânica empregada nesta pesquisa, Portanto, pode ser aplicado a outros cilindros ocos para determinar a distribuição de gradiente que pode otimizar a rigidez flexural.
"Nosso estudo pode ajudar a desenvolver materiais avançados, imitando o modelo de bambu por sua leveza e resistência. Imitando os sistemas de animais e plantas que sobreviveram a condições adversas, uma abordagem chamada biomimética tem se mostrado bem-sucedida na solução de muitos problemas no desenvolvimento de materiais nos últimos anos, "comentou Motohiro Sato, o autor principal da Universidade de Hokkaido.
