p Nacre - a parte iridescente das conchas dos moluscos - é o garoto-propaganda do design de inspiração biológica. Apesar de ser feito de giz quebradiço, a microestrutura intrincada em camadas do nácar dá a ele uma capacidade notável de resistir à propagação de rachaduras, uma propriedade do material conhecida como tenacidade. p Os engenheiros que buscam projetar materiais mais resistentes há muito buscam imitar esse tipo de camada natural, que também é encontrado em conchas, chifres de veado e em outros lugares. Mas um novo estudo realizado por pesquisadores da Brown University serve como um alerta:nem todas as estruturas em camadas são tão resistentes.

p O estudo, publicado em Nature Communications , testou outra microestrutura em camadas conhecida por suas propriedades físicas - as espículas âncora de uma esponja marinha chamada Euplectella aspergillum. As espículas são minúsculos filamentos de vidro em camadas que prendem as esponjas ao fundo do mar. A estrutura em camadas das espículas é frequentemente comparada à do nácar, os pesquisadores dizem, e presume-se que a estrutura da espícula aumenta a resistência da mesma forma. Este novo estudo descobre o contrário.

p "Apesar das semelhanças entre as arquiteturas de nácar e espículas de Euplectella, descobrimos que a arquitetura da espícula faz relativamente pouco em termos de aumentar sua resistência, ao contrário de uma suposição de longa data, "disse Max Monn, um recém-formado Ph.D. aluno da Brown e co-autor do estudo.

p Para o estudo, os pesquisadores compararam a resistência das espículas de Euplectella com as de outras espécies de esponja, Tethya aurantia. As espículas de Tethya têm uma composição química semelhante às espículas de Euplectella, mas não possuem a estrutura em camadas. Para testar a resistência, a equipe fez pequenos entalhes nas espículas e depois as dobrou. Ao medir a energia consumida quando as rachaduras se propagam dos entalhes sob tensão de flexão, os pesquisadores puderam quantificar a resistência de ambos os tipos de espículas.

p Os experimentos mostraram muito pouca diferença na resistência entre as duas espículas, o que sugere que as camadas de Euplectella não fornecem muito aumento de resistência. Usando modelagem de computador, os pesquisadores foram capazes de examinar mais profundamente por que as camadas aumentam a resistência em alguns materiais e não em outros. Os modelos mostraram que a curvatura da estratificação em espículas cilíndricas parece desligar o aumento da tenacidade das estruturas estratificadas. Camadas planas, como aqueles encontrados em nácar, parecem evitar que as rachaduras se espalhem de uma camada para a outra, dizem os pesquisadores. Mas em materiais com camadas curvas como as espículas de Euplectella, as rachaduras podem pular de uma camada para outra, em vez de serem interrompidas entre as camadas.

p Os resultados revelam uma relação até então desconhecida entre curvatura e tenacidade em materiais em camadas e têm implicações para o design de materiais compósitos bioinspirados, diz Haneesh Kesari, professor assistente na Escola de Engenharia de Brown e autor sênior do artigo.

p "Especificamente, mostra que se você adotar uma arquitetura em camadas para aumentar a resistência de um material, você deve ter cuidado com as áreas que exigem que as camadas sejam curvas, "Kesari disse." Nossas medições das espículas e resultados de nosso modelo computacional mostram que as camadas curvas não fornecem a mesma magnitude de aprimoramento de resistência como quando as camadas são planas. "

p As descobertas não significam que a estrutura em camadas das espículas de Euplectella não seja interessante. Trabalhos anteriores do laboratório de Kesari mostraram que a estrutura em camadas parece aumentar muito a resistência à flexão das espículas - para resistir a grandes curvaturas antes de falhar. Mas a resistência à flexão e a tenacidade são propriedades mecânicas muito diferentes, e ajudar a dissipar a ideia de que as camadas sempre aumentam a resistência é um insight útil para projetos bioinspirados em geral, dizem os pesquisadores.

p "Nosso estudo indica que nem todas as arquiteturas em camadas fornecem um aumento significativo de resistência, "disse Sayaka Kochiyama, um estudante de graduação da Brown e co-autor do estudo. "Essa melhor compreensão da relação estrutura-propriedade é necessária para evitar a biomimética ingênua."