Uma ilustração mostra um modelo de composto de matriz de plaquetas em primeiro plano e nácar, um dos materiais mais resistentes da natureza, no fundo. Os pesquisadores da Rice University desenvolveram simulações de computador para decodificar materiais naturais para orientar a pesquisa em compostos multifuncionais sintéticos. Crédito:Laboratório de Materiais Multiescala / Universidade do Arroz
Como um material se quebra pode ser a propriedade mais importante a se considerar ao projetar compostos em camadas que imitam aqueles encontrados na natureza. Um método dos engenheiros da Rice University decodifica as interações entre os materiais e as estruturas que eles formam e pode ajudar a maximizar sua resistência, dureza, rigidez e tensão de fratura.
Em um estudo que exigiu mais de 400 simulações de computador de materiais compostos de matriz de plaquetas, como madrepérola, O cientista de materiais de arroz Rouzbeh Shahsavari e o estudioso visitante Shafee Farzanian desenvolveram um mapa de projeto para ajudar na síntese de compostos escalonados para aplicações em qualquer escala, de microeletrônica a carros e espaçonaves, onde leve, compósitos estruturais multifuncionais são fundamentais.
O modelo integra as geometrias e propriedades de vários componentes de plaquetas e matriz para calcular a resistência do composto, dureza, rigidez e tensão de fratura. Alterar qualquer parâmetro arquitetônico ou de composição ajusta todo o modelo conforme o usuário busca o psi ideal, uma quantificação de sua capacidade de evitar falhas catastróficas.
A pesquisa aparece no Jornal de Mecânica e Física dos Sólidos .
Compostos naturais são comuns. Os exemplos incluem nácar (madrepérola), esmalte dentário, bambu e os clubes dáctilo de camarão mantis, todos os quais são arranjos em nanoescala de plaquetas duras conectadas por materiais de matriz macia e dispostas em tijolos e argamassa sobrepostos, bouligand ou outras arquiteturas.
Eles funcionam porque as partes duras são fortes o suficiente para suportar uma batida e flexíveis o suficiente (devido à matriz mole) para distribuir a tensão por todo o material. Quando eles se quebram, eles geralmente são capazes de distribuir ou limitar os danos sem falhar totalmente.
"Materiais naturais leves são abundantes, "Shahsavari disse." Nestes tipos de materiais, dois tipos de endurecimento acontecem. Um vem antes da propagação do crack, quando as plaquetas deslizam umas contra as outras para aliviar o estresse. A outra é parte da beleza desses materiais:a forma como eles endurecem após a propagação de trincas.
Um gráfico de radar de um composto de matriz mole de plaquetas rígidas, como o mostrado no topo, mostra como alterar os valores de cada entrada muda a resistência do material, cepa, tenacidade e rigidez. Neste enredo, números verticais representam valores ao longo do eixo de força. O enredo é o produto de um modelo feito por cientistas de materiais da Rice University, que disseram que ajudará na criação de novos materiais sintéticos que imitarão os compósitos mais resistentes encontrados na natureza. Os pesquisadores determinaram que o comprimento da plaqueta é o fator mais crítico na capacidade do composto de resistir a fraturas catastróficas. Crédito:Laboratório de Materiais Multiescala / Universidade do Arroz
"Mesmo quando há uma rachadura, não significa um fracasso, "disse ele." A rachadura pode ser detida ou desviada várias vezes entre as camadas. Em vez de ir direto para a superfície do material, que é uma falha catastrófica, a rachadura colide com outra camada e ziguezagueia ou forma outro padrão complexo que atrasa ou evita totalmente a falha. Isso ocorre porque uma longa e complexa trajetória de fissura requer muito mais energia para conduzi-la, em comparação com uma rachadura direta. "
Cientistas e engenheiros trabalharam durante anos para replicar a luz, difícil, propriedades fortes e rígidas de materiais naturais, com componentes duros e moles ou combinações de diferentes tipos de plaquetas.
Para engenheiros, rigidez, tenacidade e resistência são características distintas. 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. Em um artigo anterior, o laboratório Rice criou mapas para prever as propriedades dos compósitos com base nesses parâmetros antes da propagação da fissura.
A adição de endurecimento induzido por fissuras em materiais naturais e biomiméticos, Shahsavari disse, é outra fonte potente e interessante de endurecimento que fornece linhas extras de defesa contra falhas. "Os modelos revelaram sinergias não intuitivas entre os fenômenos de tenacificação antes e depois da fissura, "ele disse." Eles nos mostraram quais arquiteturas e componentes nos permitiriam combinar as melhores propriedades de cada um. "
O modelo de linha de base permitiu aos pesquisadores ajustar quatro valores para cada simulação:comprimento característico das plaquetas, plasticidade da matriz, a taxa de dissimilaridade plaquetária (quando mais de um tipo de plaqueta está envolvida) e o deslocamento da sobreposição plaquetária, todos os quais são importantes para as propriedades do composto.
Ao longo de 400 simulações, o modelo revelou que o maior fator em psi pode ser o comprimento das plaquetas, Shahsavari disse. Ele mostrou que as plaquetas curtas geram em grande parte o controle da fratura para a plasticidade da matriz mole, enquanto as plaquetas compridas o retiram. Comprimentos de plaquetas que distribuem a fratura uniformemente e permitem o crescimento máximo de rachaduras podem atingir o psi ideal e tornar o material mais capaz de evitar uma falha catastrófica.
O modelo também ajudará os pesquisadores a definir se um material irá falhar com uma fratura repentina, como cerâmicas, ou lentamente, como metais dúcteis, trocando componentes, usando plaquetas contrastantes ou mudando a arquitetura.
Shahsavari é professor assistente de engenharia civil e ambiental e de ciência dos materiais e nanoengenharia.
