p A barriga da lagosta é forrada com um fino membrana translúcida que é elástica e surpreendentemente resistente. Esta armadura marinha, como os engenheiros do MIT relataram em 2019, é feito do hidrogel mais resistente conhecido na natureza, que também é altamente flexível. Esta combinação de força e elasticidade ajuda a proteger uma lagosta enquanto ela rasteja pelo fundo do mar, ao mesmo tempo que permite que ele se flexione para frente e para trás para nadar. p Agora, uma equipe separada do MIT fabricou um material à base de hidrogel que imita a estrutura da barriga da lagosta. Os pesquisadores analisaram o material por meio de uma bateria de testes de estiramento e impacto, e mostrou isso, semelhante ao ponto fraco da lagosta, o material sintético é notavelmente "resistente à fadiga, "capaz de resistir a alongamentos e tensões repetidas sem rasgar.

p Se o processo de fabricação pudesse ser significativamente ampliado, materiais feitos de hidrogéis nanofibrosos podem ser usados ​​para fazer tecidos de reposição elásticos e fortes, como tendões e ligamentos artificiais.

p Os resultados da equipe são publicados no jornal Matéria . Os co-autores do artigo no MIT incluem os pós-doutorandos Jiahua Ni e Shaoting Lin; alunos de pós-graduação Xinyue Liu e Yuchen Sun; professor de aeronáutica e astronáutica Raul Radovitzky; professor de química Keith Nelson; o professor de engenharia mecânica Xuanhe Zhao; e o ex-cientista pesquisador David Veysset, Ph.D. '16, agora na Stanford University; junto com Zhao Qin, professor assistente na Syracuse University, e Alex Hsieh do Laboratório de Pesquisa do Exército.

p Reviravolta da natureza

p Em 2019, Lin e outros membros do grupo de Zhao desenvolveram um novo tipo de material resistente à fadiga feito de hidrogel - uma classe de materiais semelhantes à gelatina feita principalmente de água e polímeros reticulados. Eles fabricaram o material de fibras ultrafinas de hidrogel, que se alinhavam como muitos fios de palha recolhida quando o material era repetidamente esticado. Este exercício também aumentou a resistência à fadiga do hidrogel.

p "Naquele momento, sentimos que as nanofibras em hidrogéis eram importantes, e esperava manipular as estruturas de fibrilas para que pudéssemos otimizar a resistência à fadiga, "diz Lin.

p Em seu novo estudo, os pesquisadores combinaram uma série de técnicas para criar nanofibras de hidrogel mais fortes. O processo começa com eletrofiação, uma técnica de produção de fibra que usa cargas elétricas para extrair fios ultrafinos de soluções de polímero. A equipe usou cargas de alta tensão para girar nanofibras de uma solução de polímero, para formar uma película plana de nanofibras, cada um medindo cerca de 800 nanômetros - uma fração do diâmetro de um fio de cabelo humano.

p Eles colocaram o filme em uma câmara de alta umidade para soldar as fibras individuais em um resistente, rede interconectada, e, em seguida, coloque o filme em uma incubadora para cristalizar as nanofibras individuais em altas temperaturas, fortalecer ainda mais o material.

p Eles testaram a resistência à fadiga do filme, colocando-o em uma máquina que o esticava repetidamente por dezenas de milhares de ciclos. Eles também fizeram entalhes em alguns filmes e observaram como as rachaduras se propagavam à medida que os filmes eram esticados repetidamente. A partir desses testes, eles calcularam que os filmes nanofibrosos eram 50 vezes mais resistentes à fadiga do que os hidrogéis nanofibrosos convencionais.

p Por volta desse horário, eles leram com interesse um estudo de Ming Guo, professor associado de engenharia mecânica no MIT, que caracterizou as propriedades mecânicas da barriga de uma lagosta. Esta membrana protetora é feita de folhas finas de quitina, Um natural, material fibroso que é semelhante em composição às nanofibras de hidrogel do grupo.

p Guo descobriu que uma seção transversal da membrana da lagosta revelou folhas de quitina empilhadas em ângulos de 36 graus, semelhante a madeira compensada torcida, ou uma escada em espiral. Esta rotação, configuração em camadas, conhecida como estrutura bouligand, melhorou as propriedades de elasticidade e resistência da membrana.

p “Aprendemos que essa estrutura bugiganga no baixo-ventre da lagosta tem alto desempenho mecânico, o que nos motivou a ver se poderíamos reproduzir tais estruturas em materiais sintéticos, "Lin diz.

p Arquitetura angulada

p Ni, Lin, e membros do grupo de Zhao se uniram ao laboratório de Nelson e ao grupo de Radovitzky no Instituto de Nanotecnologias de Soldados do MIT, e o laboratório de Qin na Syracuse University, para ver se eles poderiam reproduzir a estrutura da membrana bouligand da lagosta usando seu material sintético, filmes resistentes à fadiga.

p "Preparamos nanofibras alinhadas por eletrofiação para imitar as fibras quínicas existentes na barriga da lagosta, "Ni diz.

p Após eletrofiação de filmes de nanofibras, os pesquisadores empilharam cada um dos cinco filmes sucessivamente, Ângulos de 36 graus para formar uma única estrutura bouligand, que eles então soldaram e cristalizaram para fortificar o material. O produto final media 9 centímetros quadrados e cerca de 30 a 40 mícrons de espessura - aproximadamente o tamanho de um pequeno pedaço de fita adesiva.

p Os testes de alongamento mostraram que o material inspirado na lagosta teve um desempenho semelhante ao de sua contraparte natural, capaz de se esticar repetidamente enquanto resiste a rasgos e rachaduras - uma resistência à fadiga que Lin atribui à arquitetura angular da estrutura.

p "Intuitivamente, uma vez que uma rachadura no material se propaga através de uma camada, é impedido por camadas adjacentes, onde as fibras estão alinhadas em ângulos diferentes, "Lin explica.

p A equipe também submeteu o material a testes de impacto microbalístico com um experimento desenvolvido pelo grupo de Nelson. Eles fotografaram o material enquanto o filmavam com micropartículas em alta velocidade, e mediu a velocidade das partículas antes e depois de rasgar o material. A diferença na velocidade deu-lhes uma medição direta da resistência ao impacto do material, ou a quantidade de energia que pode absorver, o que resultou ser surpreendentemente resistentes a 40 quilojoules por quilograma. Esse número é medido no estado hidratado.

p “Isso significa que uma bola de aço de 5 milímetros lançada a 200 metros por segundo seria detida por 13 milímetros do material, "Veysset diz." Não é tão resistente quanto o Kevlar, o que exigiria 1 milímetro, mas o material supera o Kevlar em muitas outras categorias. "

p Não é nenhuma surpresa que o novo material não seja tão resistente quanto os materiais antibalísticos comerciais. Isto é, Contudo, significativamente mais resistente do que a maioria dos outros hidrogéis nanofibrosos, como a gelatina, e polímeros sintéticos como o PVA. O material também é muito mais elástico do que o Kevlar. Esta combinação de alongamento e força sugere que, se sua fabricação pode ser acelerada, e mais filmes empilhados em estruturas bouligand, hidrogéis nanofibrosos podem servir como tecidos artificiais flexíveis e resistentes.

p "Para um material de hidrogel ser um tecido artificial de suporte de carga, força e deformabilidade são necessárias, "Lin diz." Nosso design de material poderia alcançar essas duas propriedades. "