No mundo dos materiais, rigidez e elasticidade geralmente estão em extremidades opostas do continuum. Tipicamente, quanto mais elástico um material, menos capaz de suportar cargas e resistir às forças. Quanto mais rígido for, mais propenso é a ruptura em tensões mais baixas quando a carga ou força excede sua capacidade. O objetivo de muitos cientistas de materiais é criar um material que reúna o melhor dos dois mundos.

Na UC Santa Barbara, os cientistas deram um passo mais perto desse objetivo. Em um estudo publicado recentemente, autores Kayetan Chorazewicz, Sameer Sundrani e Kollbe Ahn descrevem um mecanismo pelo qual um material pode ser altamente extensível sem sacrificar sua resistência e rigidez. O papel, "Bioinspired Functional Gradients for Toughness Augmentation in Synthetic Polymer Systems, "aparece no jornal Química Macromolecular e Física .

Para inspiração, os pesquisadores não procuraram além da praia.

"Você pode ver rigidez e extensibilidade com fios de bisso de mexilhão, "disse o co-autor Chorazewicz. Os mexilhões passam a vida na zona rochosa entre-marés, onde sua capacidade de se agarrar é uma questão de vida ou morte. Os fios que exsudam nas rochas devem ser extensíveis o suficiente para permitir que eles encontrem a "aderência" apropriada em superfícies irregulares e absorvam o bater constante das ondas, no entanto, é suficientemente rígido para evitar que os próprios mexilhões saltem com as correntes e batam nas estruturas às quais estão fixados. A combinação ideal das duas qualidades está entre os segredos de seu sucesso em um ambiente tão variável e inóspito.

Seguindo a deixa dos moluscos, os pesquisadores projetaram um material funcionalmente graduado - uma classe relativamente nova de materiais que tira proveito das diferenças em suas composições - para criar uma versão sintética dos fios de bisso dos mexilhões que não apenas minimiza o equilíbrio entre flexibilidade e resistência, mas também pode ser usado em ambientes úmidos.

A chave para esta tecnologia é uma combinação reticulada do monômero acrilato de benzila (BZA) com dimetacrilato de trietilenoglicol (TEGDMA), um polímero comum usado em preenchimentos de restauração dentária. Cross-linking, de acordo com os pesquisadores, em vez de criar um "sanduíche" de camadas individuais de BZA ou TEGDMA, dota o material resultante com habilidades que nenhum deles sozinho teria:a capacidade de resistir a tensões em uma ampla gama de temperaturas, e a capacidade de suportar cargas. A combinação de copolímero pode ser ainda mais ajustada de modo que suas camadas tenham níveis variados de elasticidade, da mesma forma que os fios byssus exibem um gradiente de elasticidade que muda de seu núcleo de fibra de colágeno macio para sua cutícula externa dura. Desta maneira, as tensões no material podem ser absorvidas com eficácia ou resistidas de imediato.

"Também pode evitar que quaisquer fraturas se propaguem por todo o material, "disse o co-autor Sundrani. Se houver estresse excessivo, a energia de deformação seria redirecionada e confinada e parte do material poderia ser sacrificado em uma "delaminação benéfica" que evitaria o colapso de toda a estrutura.

Essa tecnologia possui uma ampla gama de aplicações.

"Nos dias de hoje, mais e mais materiais estão sendo substituídos por polímeros de engenharia, "disse o veterano do jornal, autor correspondente Ahn, que trabalhou extensivamente com polímeros biomiméticos inspirados em mexilhões. "Podemos imaginar qualquer material à base de polímero que requeira suporte de carga, " ele adicionou, incluindo plásticos mais resistentes, equipamentos de proteção, como capacetes, peças de construção e aeronaves mais duráveis, componentes de veículos e embarcações.

Adicionalmente, os campos da medicina, Bioengenharia, a bioeletrônica e até mesmo a robótica leve poderiam se beneficiar de tais materiais classificados funcionalmente, que poderia ser usado para fazer próteses, articulações e órgãos artificiais, ou atuadores e máquinas macios.

"Outra aplicação amplamente prática seria aplicar materiais graduados como os nossos a revestimentos sobre materiais já existentes, em vez de substituí-los inteiramente, por exemplo, plásticos rígidos ou mesmo implantes biomédicos, "Disse Sundrani.

"O que nossos materiais com graduação funcional sugerem, "observou Chorazewicz, "é uma nova classe de materiais para cumprir uma ampla variedade dessas funções, em vez de um nicho específico - e, uma vez que esses materiais são ajustáveis, eles podem ser tão duros ou macios quanto necessário para o uso pretendido. "

Este artigo é o resultado de uma colaboração única inspirada no Programa de Orientação de Pesquisa da UCSB (RMP), um programa de sessões de verão que junta alunos do segundo ano do ensino médio e do último ano com pesquisadores universitários para conduzir pesquisas originais. Na época em que iniciaram esta pesquisa, tanto Chorazewicz quanto Sundrani estavam no último ano do ensino médio. Graças ao seu impulso incomum e à orientação e orientação contínuas fornecidas por Ahn além de suas seis semanas com RMP, os autores juniores deste artigo foram capazes de conduzir pesquisas, escrever seu artigo e publicar em uma revista científica revisada por pares antes mesmo de começarem suas carreiras na faculdade. Chorazewicz e Sundrani creditam Ahn por seu nível de envolvimento em suas carreiras nascentes e promissoras de ciência e engenharia, enquanto Ahn reconhece a dedicação de seus ex-alunos do RMP.