Os cientistas de materiais da Rice University estão olhando para a natureza - nos discos das espinhas humanas e na pele dos peixes que mergulham no oceano, por exemplo - para obter dicas sobre como projetar materiais com propriedades aparentemente contraditórias - flexibilidade e rigidez.

Em pesquisas que aparecem online no jornal Interfaces de materiais avançados , estudante de graduação Peter Owuor, O cientista pesquisador Chandra Sekhar Tiwary e colegas dos laboratórios do Professor de Arroz Pulickel Ajayan e Jun Lou descobriram que podem aumentar a rigidez, ou "módulo de elasticidade, "de um polímero macio à base de silício, infundindo-o com pequenos bolsões de gálio líquido.

Esses compostos podem encontrar uso em materiais de absorção de alta energia e amortecedores e em estruturas biomiméticas como discos intervertebrais artificiais, eles disseram.

Owuor disse que a sabedoria convencional em design de compósitos nos últimos 60 anos tem sido que adicionar uma substância mais dura aumenta o módulo e adicionar uma mais macia diminui o módulo. Na maioria dos casos, está correto.

"As pessoas não tinham realmente olhado para isso do outro lado, "disse ele." É possível adicionar algo macio dentro de outra coisa que também é macio e obter algo que tem um módulo mais alto? Se você olhar para o mundo natural, há muitos exemplos em que você encontra exatamente isso. Como cientistas de materiais, queríamos estudar isso, não de uma perspectiva biológica, mas sim de uma mecânica. "

Por exemplo, os discos entre as vértebras nas espinhas humanas, que agem como absorvedores de choque e ligamentos, são feitos de uma camada externa resistente de cartilagem e interior gelatinoso. E a pele externa de peixes e mamíferos que mergulham profundamente no oceano contém uma miríade de pequenas câmaras cheias de óleo - algumas não maiores do que um vírus e outras maiores do que células inteiras - que permitem que os animais resistam às pressões intensas que existem milhares de metros abaixo do oceano. superfície.

Escolher os materiais básicos para modelar esses sistemas vivos foi relativamente fácil, mas encontrar uma maneira de juntá-los para imitar a natureza foi difícil, disse Tiwary, um associado de pesquisa de pós-doutorado no Departamento de Ciência de Materiais e NanoEngenharia de Rice.

Polidimetilsiloxano, ou PDMS, foi escolhida como a camada de encapsulamento suave por uma série de razões:é barata, inerte, não tóxico e amplamente utilizado em tudo, desde calafetar e selantes de aquário a cosméticos e aditivos alimentares. Também seca claro, o que tornou mais fácil ver as bolhas de líquido que a equipe queria encapsular. Por isso, os pesquisadores escolheram o gálio, que, como o mercúrio, é líquido à temperatura ambiente, mas, ao contrário do mercúrio, não é tóxico e é relativamente fácil de trabalhar.

Owuor disse que levou quase quatro meses para encontrar uma receita para encapsular bolhas de gálio dentro do PDMS. Suas amostras de teste têm aproximadamente o diâmetro de uma pequena moeda e cerca de um quarto de polegada de espessura. Curando o PDMS lentamente, Owuor desenvolveu um processo pelo qual podia adicionar gotículas de gálio de vários tamanhos. Algumas amostras continham uma grande câmara interna, e outros continham até uma dúzia de gotículas discretas.

Cada amostra foi submetida a dezenas de testes. Um instrumento de análise mecânica dinâmica foi usado para medir o quanto o material deformado sob carga, e várias medidas como rigidez, a tenacidade e a elasticidade foram medidas sob uma variedade de condições. Por exemplo, com uma quantidade relativamente pequena de resfriamento, o gálio pode ser transformado em um sólido. Assim, a equipe foi capaz de comparar algumas medidas feitas quando as esferas de gálio eram líquidas com medidas feitas quando as esferas eram sólidas.

Os colaboradores Roy Mahapatra e Shashishekarayya Hiremath, do Instituto Indiano de Ciência em Bangalore, usaram modelagem de elementos finitos e simulações hidrodinâmicas para ajudar a equipe a analisar como os materiais se comportavam sob estresse mecânico. Com base nisso, os pesquisadores determinaram que os bolsões de gálio líquido deram ao composto características de absorção e dissipação de energia mais altas do que o PDMS simples ou PDMS com bolsões cheios de ar.

"O que mostramos é que colocar líquido dentro de um sólido nem sempre vai torná-lo mais macio, e graças aos nossos colaboradores podemos explicar porque é esse o caso, "Tiwary disse." Em seguida, esperamos usar esse conhecimento para tentar projetar materiais para aproveitar essas propriedades. "

Owuor e Tiwary disseram que apenas usar a nanoengenharia sozinha pode não fornecer um efeito máximo. Em vez de, a natureza emprega estruturas hierárquicas com recursos de tamanhos variados que se repetem em escalas maiores, como aqueles encontrados nas câmaras cheias de óleo em pele de peixe.

"Se você olhar para a membrana (do peixe) e seccioná-la, há uma camada onde você tem esferas com grandes diâmetros, e conforme você se move, os diâmetros continuam diminuindo, "Owuor disse." As câmaras são vistas em toda a escala, desde o nano até a microescala.

Tiwary disse, “Existem importantes características em nanoescala na natureza, mas nem tudo é nano. Podemos descobrir que apenas a engenharia em nanoescala não é suficiente. Queremos ver se podemos começar a projetar de forma hierárquica. "