Nácar, também conhecido como madrepérola é um composto, material orgânico-inorgânico produzido na natureza na camada interna da concha dos moluscos e no revestimento externo das pérolas. O material é resiliente e iridescente com alta resistência e tenacidade, resultante de sua arquitetura de tijolo e argamassa. Materiais leves e fortes são de interesse na ciência dos materiais devido ao seu potencial em aplicações multidisciplinares nos esportes, aeroespacial, transporte e biomedicina. Em um estudo recente, agora publicado em Avanços da Ciência , Yang Yang e colegas de trabalho nos departamentos interdisciplinares de Engenharia de Sistemas, Químico, Engenharia Biomédica e Aeroespacial na University of Southern California, desenvolveu uma rota para construir estruturas hierárquicas inspiradas em nácar com formas 3-D complexas por meio de impressão 3-D eletricamente assistida.

Para criar uma estrutura semelhante a tijolo e argamassa na obra, eles alinharam nanoplacas de grafeno (GNs) como tijolos no campo elétrico (433 V / cm) durante a impressão 3-D e incluíram a matriz de polímero como uma argamassa. O nácar impresso em 3-D bioinspirado com GNs alinhadas (2 por cento de peso) eram leves (1,06 g / cm ³ ), embora com dureza e resistência específicas semelhantes às do nácar natural. A impressão 3D leve, GNs alinhadas com armadura inteligente podem detectar danos na superfície para exercer mudança de resistência durante aplicações elétricas. O estudo destacou possibilidades interessantes para nanomateriais bioinspirados com arquitetura hierárquica testada em uma prova de princípio, mini capacete inteligente. As aplicações projetadas incluem reforço mecânico integrado, capacidades de autodetecção elétrica em biomedicina, engenharia aeroespacial, bem como aparelhos militares e esportivos.

Materiais estruturais leves e fortes, como sensores multifuncionais vestíveis, têm atraído cada vez mais atenção no monitoramento de saúde, mas a maioria dos sensores piezoelétricos são macios e não podem proteger a superfície de interesse. Um protetor, O sensor multifuncional vestível está atualmente em demanda para aplicações militares e esportivas, portanto. A estrutura hierárquica do nácar na natureza fornece desempenho mecânico superior, apesar de seus constituintes relativamente fracos para proteger o corpo mole em moluscos. O segredo de sua capacidade de proteção é inerente à arquitetura de tijolo e argamassa (BM) que varia da nano e micro à macroescala.

Esta excelente propriedade de materiais formou a base para projetar uma armadura leve e forte para interfaces microestruturais na ciência dos materiais. Apesar de tradicional, processos de montagem ascendentes, como filtração a vácuo, revestimento em spray, modelagem de gelo e automontagem foram previamente estudadas intensamente para construir arquiteturas inspiradas em nácar, os métodos focavam apenas na formação de filme fino bidimensional (2-D) ou estruturas simples em massa. Visto que é um desafio usar essas técnicas para desenvolver arquiteturas 3-D, a impressão 3-D (manufatura aditiva) é uma alternativa poderosa. Estudos recentes em ciência de materiais e bioengenharia usaram impressão 3-D com forças de cisalhamento, campos magnéticos e acústicos para formar compósitos reforçados com fibras alinhadas.

No presente trabalho, Yang et al. apresentou um método de impressão 3-D eletricamente assistida usando nanoplacas de grafeno alinhadas (GNs) em resina fotocurável para construir as arquiteturas hierárquicas inspiradas no nácar. A técnica proposta aproveitou a montagem nanoescala a microescala induzida pelo campo elétrico e montagem microescala a microescala via impressão 3-D. As arquiteturas 3-D com GNs alinhadas (aGNs) mostraram propriedades mecânicas reforçadas em comparação com GNs aleatórias (rGNs). O nácar artificial impresso em 3-D exibiu dureza e resistência específicas comparáveis ​​ao nácar natural, com propriedades elétricas anisotrópicas adicionais, ao contrário do nácar natural.

Os cientistas propõem desenvolver um capacete inteligente com proteção embutida, recursos de autodetecção usando o processo de impressão 3-D eletricamente assistido. A arquitetura de tijolo e argamassa bioinspirada (BM) pode aumentar a resistência mecânica e a condução elétrica, alinhando nanoplacas de grafeno em cada camada para desempenho máximo por meio de deflexão de rachaduras sob carregamento. No total, Yang et al. visam projetar multifuncional, Estruturas 3-D leves, porém fortes e com autodetecção elétrica, do laboratório à indústria.

Para replicar o desafio hierárquico, arquitetura em escala micro / nano de nácar natural, os cientistas usaram aGNs em um polímero fotocurável, enxertado com 3-aminopropiltrietoxissilano (3-APTES) para fortalecer a interface e transferência de carga na matriz polimérica tipo sanduíche. Para a resina fotocurável, eles usaram G ⁺ resina da Maker Juice Labs, notado MJ, contendo diacrilato de epóxi de alta resistência, glicol diacrilato e um fotoiniciador com excelentes propriedades mecânicas e baixa viscosidade.

Para alinhar os GNs no composto durante a impressão 3D baseada em camadas, Yang et al. usou um campo elétrico (433 V / cm) para construir estruturas compostas MJ / GN inspiradas em nácar. Os cientistas aplicaram tensões DC, seguido por coleção de espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier (FTIR), imagens ópticas e imagens de microscopia eletrônica de varredura (SEM) para caracterizar (ou seja, testar) os compósitos recém-desenvolvidos. As camadas de amostra GN paralelas e compactas resultantes foram estruturalmente separadas pela matriz de polímero como argamassa para transmitir as características estruturais críticas para o desempenho mecânico no nácar sintético 3-D. Os cientistas viram semelhanças entre a estrutura de nácar sintético e natural em macro e microescala.

Antes da impressão 3D, Yang et al. criou o modelo nácar usando o software SolidWorks primeiro, e então o fatiou com um software de estereolitografia baseado em dispositivo de microespelho digital (DMD) desenvolvido internamente para gerar padrões de superfície. Eles projetaram imagens mascaradas dos padrões computados na superfície da resina para construir camadas nas quais o processo de impressão 3-D eletricamente assistido alinhava e polimerizava seletivamente as peças programadas para orientação de reforço específico, camada sobre cada camada dos compostos MJ / GN para criar a estrutura de interesse. Os cientistas formaram a lacuna desejada entre o alinhamento GN na resina MJ, antes da fotocuração usando o sistema de projeção de luz DMD (3,16 mW / cm ² ) disponível na configuração.

Eles então compararam o comportamento tensão-deformação do nácar impresso 3-D com rGNs (aleatório) e aGNs (alinhado) para diferentes proporções. Comparado ao nácar natural, a versão sintética mostrou fraturas frágeis típicas com propagação de trinca no início. Yang et al. usaram simulação estrutural usando COMSOL Multiphysics para mostrar o local de concentração de tensões e a importância do alinhamento GN preciso para a deflexão de trincas e dissipação de energia nos nácares sintéticos. Quando eles realizaram simulações estruturais de folhas aGN otimizadas com 2 por cento de peso no estudo (2% em peso), eles mostraram a formação de pontes que levam à distribuição de tensões na área de junção entre os aGNs e a matriz polimérica para transportar cargas em vez de promover o avanço macroscópico de trincas. As estruturas continham ligações covalentes, ligações de hidrogênio e interação π-π para unir sinergicamente os aGNs para propriedades biomecânicas aprimoradas.

Para testar as propriedades mecânicas, os cientistas realizaram testes de flexão de três pontos para medir a resistência de compósitos impressos em 3-D com rGNs, aGNs e uma amostra de polímero puro de referência. Após o alinhamento GN adequado, eles obtiveram retenção de rachaduras e deflexão estável comparável ao nácar natural, endurecendo as plaquetas parecidas com tijolos. Os resultados indicaram resistência à fratura durante o crescimento de trincas para aGNs. Os compósitos aGN inspirados no nácar mostraram ponte e intertravamento que se traduziram em um aumento na energia dissipada e no endurecimento, contribuindo para o excelente desempenho de retenção de rachaduras do composto. O nácar 3-D sintético era mais leve do que o nácar natural, com densidade mais baixa em comparação com os compósitos sintéticos anteriores.

A versão sintética 3-D mostrou condutividade elétrica significativamente melhorada ao contrário do nácar natural, em que Yang et al. testado usando respostas piezoresistivas úteis para aplicações militares e esportivas de autodetecção. Como prova de princípio, os cientistas projetaram um capacete 3-D vestível para um ciclista Lego usando a técnica para estudar sua capacidade de autodetecção. O capacete composto de aGNs apresentou melhor resistência ao impacto e à compressão em comparação com rGNs, verificado com testes de impacto onde os capacetes rGN quebraram enquanto os capacetes aGN mantiveram suas formas. Yang et al. mostraram que um capacete composto de aGNs (0,36 g) conectado a uma luz LED foi capaz de suportar o impacto de uma bola de ferro 305 vezes seu peso (110 g), onde o brilho da luz LED diminuiu apenas ligeiramente após o impacto devido à formação de rachaduras, dissipação de energia e aumento da resistência.

Os cientistas construíram um circuito resistor-capacitor (RC) para medir a variação da resistência durante o impacto e durante os testes de compressão. No capacete rGN o LED estava sempre desligado devido à maior resistência, comparativamente, a resistência menor do capacete aGN deixou a luz LED acesa. Desta maneira, Yang et al. mostrou como a arquitetura nano-laminada forneceu tenacidade extrínseca e melhorou a condutividade elétrica devido à bioinspiração, GNs alinhadas nos nanocompósitos. Eles propõem permitir a personalização em massa, auxiliado com recursos de impressão 3-D para traduzir os materiais inteligentes leves arraigados com excelentes propriedades mecânicas e elétricas para aplicações comercialmente viáveis ​​em indústrias generalizadas.

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