Materiais superresilientes encontrados no reino animal devem sua força e resistência a uma estratégia de design que faz com que as rachaduras sigam o padrão de torção das fibras, prevenção de falha catastrófica.

Pesquisadores em uma série recente de artigos documentaram esse comportamento em detalhes precisos e também estão criando novos materiais compostos modelados a partir do fenômeno. O trabalho foi realizado por uma equipe de pesquisadores da Purdue University em colaboração com a University of California, Riverside.

Os pesquisadores estudaram a força sobrenatural de um material composto em uma criatura marinha chamada camarão mantis, que usa um apêndice resistente ao impacto para golpear sua presa até a submissão.

"Contudo, estamos vendo esse mesmo tipo de estratégia de design não apenas no camarão mantis, mas também em muitos animais, "disse Pablo Zavattieri, professor na Escola de Engenharia Civil de Purdue's Lyles. "Besouros usam em suas conchas, por exemplo, e também o vemos nas escamas de peixes, lagostas e caranguejos. "

O que faz o camarão mantis se destacar é que ele pode realmente esmagar e derrotar suas presas blindadas (principalmente moluscos e outros caranguejos), que também são conhecidos por sua tolerância a danos e excelentes propriedades mecânicas. O camarão mantis os conquista com seu "clube de dáctilo, "um apêndice que desencadeia uma enxurrada de impactos ferozes com a velocidade de uma bala calibre .22.

Novas descobertas mostram que o material composto do clube realmente se torna mais resistente à medida que uma rachadura tenta se torcer, com efeito, interrompendo seu progresso. Essa torção de rachadura é guiada pelas fibras de quitina do material, a mesma substância encontrada em muitas conchas de crustáceos marinhos e exoesqueletos de insetos, dispostos em uma arquitetura helicoidal que se assemelha a uma escada em espiral.

"Este mecanismo nunca foi estudado em detalhes antes, "Disse Zavattieri." O que estamos descobrindo é que, à medida que uma rachadura torce, a força motriz para crescer a rachadura diminui progressivamente, promovendo a formação de outros mecanismos semelhantes, que evitam que o material se desintegre catastroficamente. Acho que podemos finalmente explicar porque o material é tão resistente. "

Dois artigos foram publicados no Journal of Mechanical Behavior of Biomedical Materials e no International Journal of Solids and Structures. Os artigos foram co-escritos pelo estudante de doutorado de Purdue, Nobphadon Suksangpanya; O estudante de doutorado da UC Riverside, Nicholas A. Yaraghi; David Kisailus, um professor da UC Riverside de engenharia química e ambiental e ciência e engenharia de materiais; e Zavattieri.

"Este empolgante novo analítico, trabalho computacional e experimental, que segue a nossa caracterização biocompósito inicial do helicoide dentro do clube do camarão mantis e trabalho biomimético composto, realmente fornece uma visão mais profunda dos mecanismos de endurecimento dentro desta estrutura única, "Kisailus disse.

“A novidade desse trabalho é que, do lado da teoria, desenvolvemos um novo modelo, e no lado experimental, usamos materiais estabelecidos para criar compostos que validam esta teoria, "Zavattieri disse.

Pesquisas anteriores mostraram que essa arquitetura helicoidal é naturalmente projetada para sobreviver aos repetidos golpes de alta velocidade, revelando que as fibras também estão dispostas em um padrão de espinha na camada externa do apêndice.

Na nova pesquisa, a equipe aprendeu especificamente por que esse padrão confere tal resistência:à medida que as fissuras se formam, eles seguem o padrão de torção em vez de se espalharem direto pela estrutura, fazendo com que ele falhe. Imagens tiradas com um microscópio eletrônico na UC Riverside mostram que, em vez de uma única rachadura continuar a se propagar, numerosas rachaduras menores se formam - dissipando a energia absorvida pelo material no momento do impacto.

Os pesquisadores criaram e testaram composições impressas em 3D modeladas após o fenômeno, captura do comportamento da trinca com câmeras e técnicas de correlação de imagens digitais para estudar a deformação do material.

Byron Pipes, John L. Bray, distinto professor de engenharia da Purdue, ajudou a Suksangpanya a fabricar compósitos reforçados com fibra de vidro incorporando esse fenômeno.

“Estamos estabelecendo novos mecanismos que não estavam disponíveis para nós antes para compósitos, "

Zavattieri disse. "Tradicionalmente, quando produzimos compósitos, colocamos fibras juntas de maneiras que não são ideais, e a natureza está nos ensinando como devemos fazer isso. "

As descobertas agora estão ajudando no desenvolvimento de produtos mais leves, materiais mais fortes e mais resistentes para muitas aplicações, incluindo aeroespacial, automotivo e esportes.