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.
