A força dos dentes é contada na escala de milímetros. Os sorrisos de porcelana são como cerâmicas - exceto que, embora os pratos de porcelana se quebrem quando se chocam uns contra os outros, nossos dentes não, e é porque eles estão cheios de defeitos.

Esses defeitos são o que inspirou o último artigo liderado por Susanta Ghosh, professor adjunto do Departamento de Engenharia Mecânica-Engenharia Mecânica. A pesquisa saiu recentemente na revista Mechanics of Materials. Junto com uma equipe de estudantes de pós-graduação dedicados - Upendra Yadav, Mark Coldren e Praveen Bulusu - e sua colega engenheira mecânica Trisha Sain, Ghosh examinou o que é chamado de microarquitetura de materiais frágeis como vidro e cerâmica.

"Desde o tempo dos alquimistas, as pessoas tentam criar novos materiais, "Disse Ghosh." O que eles fizeram foi no nível químico e nós trabalhamos na microescala. Alterar as geometrias - a microarquitetura - de um material é um novo paradigma e abre muitas novas possibilidades porque estamos trabalhando com materiais bem conhecidos. "

Vidro inquebrável

O vidro mais forte nos traz de volta aos dentes - e às conchas do mar. No nível micro, os componentes primários duros e quebradiços dos dentes e cascas têm interfaces fracas ou defeitos. Essas interfaces são preenchidas com polímeros macios. Conforme os dentes rangem e as conchas batem, os pontos macios amortecem as placas duras, deixando-os passarem um pelo outro. Sob mais deformação, eles ficam interligados como fechos de velcro ou velcro, transportando cargas enormes. Mas enquanto mastiga, ninguém seria capaz de ver a forma de um dente mudar a olho nu. A mudança na microarquitetura acontece na escala de mícrons, e sua estrutura entrelaçada ricocheteia até que um caramelo pegajoso ou um caroço de pipoca ruim empurre as placas deslizantes até o ponto de quebra.

Esse ponto de ruptura é o que Ghosh estuda. Pesquisadores da área descobriram em experimentos que adicionar pequenos defeitos ao vidro pode aumentar a resistência do material 200 vezes. Isso significa que os defeitos leves retardam a falha, orientando a propagação de fissuras, e aumenta a absorção de energia no material quebradiço.

"O processo de falha é irreversível e complicado porque as arquiteturas que prendem a rachadura por um caminho predeterminado podem ser curvas e complexas, "Ghosh disse." Os modelos com os quais trabalhamos tentam descrever a propagação da fratura e a mecânica de contato na interface entre dois blocos de construção rígidos e quebradiços. "

Método do elemento finito

Os padrões de microarquitetura na natureza surgiram em uma linha do tempo evolucionária. Cientistas e engenheiros de materiais trabalham em períodos mais curtos, então, eles estão desenvolvendo ferramentas para descobrir os melhores defeitos e suas geometrias ideais. O método dos elementos finitos (FEM) é uma dessas técnicas.

FEM é um modelo numérico que desmonta um todo complexo avaliando peças separadas - chamadas de elementos finitos - em seguida, reúne tudo novamente usando o cálculo de variações. Humpty Dumpty e todos os homens do rei teriam gostado do FEM, mas não é um truque rápido na estrada. Para executar cálculos complexos, é necessário um supercomputador, como Superior em Michigan Tech, e garantir que as entradas certas sejam conectadas exige diligência, paciência e um olho afiado para detalhes de codificação. Usar o FEM para vidro super forte significa modelar todas as interações possíveis entre as placas duras e os pontos frágeis do material.

Modelagem Analítica

Ghosh e sua equipe reconheceram que, embora a FEM forneça soluções precisas, é demorado e não é adequado ao trabalhar com um grande número de modelos. Então, eles vieram com uma alternativa.

"Queríamos um simples, modelo aproximado para descrever o material, " ele disse, explicando a equipe usou mais equações matemáticas básicas do que os cálculos FEM para delinear e descrever as formas dentro do material e como elas podem interagir. "Claro, um experimento é o teste final, mas uma modelagem mais eficiente nos ajuda a acelerar o processo de desenvolvimento e economizar dinheiro, concentrando-nos em materiais que funcionam bem nos modelos. "

Tanto o FEM quanto a modelagem analítica da microarquitetura do laboratório de Ghosh podem ajudar a fazer cerâmicas, implantes biomédicos e o vidro em edifícios tão resistentes quanto nossos dentes.