As espumas metálicas desenvolvidas pelos cientistas de materiais Stefan Diebels e Anne Jung da Saarland University Strong são fortes o suficiente para uso em sistemas de proteção contra impactos em carros, e são capazes de absorver as ondas de choque produzidas por uma detonação. Seu superleve, espumas de metal extremamente fortes podem ser personalizadas para uma ampla gama de aplicações.

A inspiração para o novo sistema de espuma veio dos ossos. Usando um processo de revestimento patenteado, a equipe de Saarbrücken fabricou altamente estável, espumas metálicas porosas que podem ser usadas, por exemplo, em projetos de construção leve. O substrato de rede inicial é uma espuma de alumínio ou polímero, não muito diferente de uma esponja de cozinha. A equipe de pesquisa e a empresa iniciante que seu trabalho gerou (Mac Panther Materials GmbH, Bremen, Alemanha) estará em Hannover Messe, onde irão apresentar o seu processo de 1 a 5 de abril no Estande de Pesquisa e Inovação do Saarland (Hall 2, Suporte B46).

Os ossos são um dos muitos desenvolvimentos engenhosos da natureza. Eles são fortes e estáveis ​​e podem lidar com cargas quase tão bem quanto o aço. Mas apesar de sua força, ossos são incrivelmente leves. O segredo está na combinação de uma casca externa rígida que envolve um corpo poroso, rede semelhante a uma rede de tecido ósseo no interior do osso. Essa estrutura economiza material e reduz o peso. As espumas de metal imitam essas estruturas ósseas que ocorrem naturalmente.

As espumas sintéticas são porosas, estruturas de células abertas fabricadas com metais e que têm a aparência de uma esponja. As espumas de metal disponíveis atualmente são adequadamente leves, mas o processo de produção é complicado e caro. A estabilidade das estruturas existentes de espuma esponjosa ainda é muito fraca e não resiliente o suficiente para muitas aplicações. Isso é verdade para a espuma de alumínio, que é o tipo mais comum produzido hoje. "Esta é a razão pela qual as espumas de metal até agora não tiveram nenhum impacto real no mercado, "explica o cientista de materiais Stefan Diebels, professor de mecânica aplicada na Saarland University.

Sua equipe de pesquisa encontrou uma maneira de fortalecer significativamente a estrutura de treliça das espumas de metal, produzindo um peso leve, material extremamente estável e versátil. Diebels e a cientista de materiais Dra. Anne Jung desenvolveram um procedimento patenteado para revestir as escoras individuais que compõem a estrutura interna de células abertas. Como resultado, o exterior da espuma é mais forte e mais estável, e a estrutura agora é capaz de suportar cargas extremas. Contudo, a espuma tratada permanece incrivelmente leve.

A equipe começou usando espumas de alumínio, mas agora estão usando espumas de poliuretano baratas, cuja resistência vem inteiramente do fino revestimento de metal aplicado à estrutura de rede. "As espumas de metal resultantes têm uma baixa densidade, uma grande área de superfície, mas um pequeno volume. Em relação ao peso, essas espumas são extremamente fortes e rígidas, "diz Stefan Diebels. Na verdade, eles são tão fortes que estão sendo usados ​​como barreiras móveis para fornecer proteção contra as ondas de choque causadas por explosões. Mesmo quando exposto a detonações subaquáticas, as espumas simplesmente 'engolem' o som resultante e as ondas de pressão, protegendo assim organismos marinhos sensíveis dos efeitos dessas poderosas ondas de choque.

"A maioria das aplicações em que nos concentramos são geralmente menos espetaculares, como o uso de nossas espumas em construções leves, "explica a Dra. Anne Jung, um cientista pesquisador sênior do grupo de Diebels.

Muitos produtos podem ser mais leves e estáveis, inspirando-se na engenhosidade do design da natureza. Por exemplo, estruturas de suporte de carga em carros e aviões podem ser fabricadas a partir da espuma de metal. “Eles podem ser instalados como escoras de reforço na carroceria, ao mesmo tempo em que fornece proteção contra impactos. As escoras podem absorver grandes quantidades de energia e são capazes de absorver a força de uma colisão quando partes do núcleo poroso fraturam sob o impacto, "explica Anne Jung.

Existem inúmeras áreas de aplicação para essas espumas, como na catálise, como o material é poroso e, portanto, permite que líquidos e gases fluam através dele, ou para absorção de choque ou como escudo térmico, como as espumas exibem excelente resistência ao calor. O material de espuma também pode ser usado para triagem eletromagnética ou em aplicações arquitetônicas, onde encontra uso como revestimento de absorção de som ou como um elemento de design de construção.

O revestimento é aplicado em banho de galvanoplastia. O aspecto mais desafiador do processo de galvanoplastia foi conseguir um revestimento uniforme da camada ultrafina em todo o interior da estrutura de espuma. "O problema, "explica Anne Jung, "é que a espuma metálica atua como uma gaiola de Faraday." Como o interior da espuma é cercado por material eletricamente condutor, corrente elétrica e, portanto, o revestimento é desviada para o exterior do corpo de espuma e não viaja através do interior da espuma - é semelhante ao que acontece quando um raio atinge um carro. A descoberta veio quando Anne Jung decidiu usar uma gaiola de ânodo especial, que permite que ela aplique um uniforme, revestimento nanocristalino em toda a rede de treliça. "O método patenteado também funciona em escala industrial com espumas com áreas de superfície muito grandes, "acrescenta Jung.

A equipe de Saarbrücken é autora de vários artigos científicos importantes na área, e agora é considerado um dos principais grupos de pesquisa do mundo na caracterização micromecânica dessas redes de metal poroso. Usando uma série de experimentos, simulações, teste de tensão e compressão, microscopia óptica e tomografia computadorizada de raios-X, a equipe de pesquisa examinou a estrutura, geometria dos poros e curvatura das hastes e mostraram como a variação da espessura do nanocoating pode conferir propriedades diferentes aos materiais de espuma. Variando a composição do revestimento, sua espessura ou o tamanho dos poros, a equipe é capaz de personalizar espumas para atender às diferentes necessidades de aplicação. Por exemplo, nanorrevestimento da estrutura de rede de células abertas com níquel produz espumas particularmente fortes, com cobre, o material de espuma exibe alta condutividade térmica, com prata, eles têm boas propriedades antibacterianas, e com ouro a espuma é altamente decorativa. O grupo de pesquisa Saarbrücken, que inclui estudantes e pesquisadores de doutorado, continuam trabalhando na otimização do processo de produção e do próprio material.

A fim de facilitar a aplicação comercial e industrial de seus resultados de pesquisa, os pesquisadores de Saarbrücken entraram em um projeto piloto de transferência de tecnologia junto com o Escritório de Transferência de Conhecimento e Tecnologia (KWT) da Universidade de Saarland e os parceiros externos de start-up Dr. Andreas Kleine e Michael Kleine, e estabeleceram a empresa Mac Panther Materials GmbH com sede em Bremen. O Dr. Jung e o Professor Diebels têm uma participação na nova empresa, assim como a WuT, empresa de transferência de conhecimento e tecnologia da Universidade de Saarland.