p Os materiais para aplicações aeroespaciais enfrentam muitos desafios. A estrutura de uma aeronave deve ser leve, mas forte. Os componentes estruturais, como as asas ou fuselagem, devem resistir a danos e, ao mesmo tempo, em algumas áreas, ser capazes de suportar altas temperaturas do escapamento do motor. Os componentes eletrônicos de uma aeronave também devem ser protegidos contra surtos elétricos devido a quedas de raios ou outras interferências. p Desenvolver novos materiais que atendam a essas demandas múltiplas é o que a professora assistente Anamika Prasad, do Departamento de Engenharia Mecânica da South Dakota State University, tem trabalhado em colaboração com o grupo de pesquisa de materiais da Base Aérea de Wright-Patterson.

p Prasad recebeu uma bolsa de oito semanas do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea dos EUA no verão passado para trabalhar com a diretoria de materiais e manufatura e está continuando sua pesquisa em compósitos baseados em MXene por meio de uma segunda bolsa neste verão. O programa de bolsas, patrocinado pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, constrói relacionamentos com a ciência em tempo integral, professores de matemática e engenharia em faculdades e universidades dos EUA, dando-lhes a oportunidade de realizar pesquisas em um Laboratório de Pesquisa da Força Aérea.

p "Foi uma experiência colaborativa incrível trabalhar ao lado de cientistas do AFRL e bolsistas de verão (professores e alunos), "disse Prasad, cuja pesquisa na SDSU se concentra no uso de estruturas inspiradas em plantas para projetar e fabricar materiais compostos.

p Os professores normalmente realizam pesquisas no local, mas a pandemia COVID-19 levou Prasad a trabalhar remotamente e mudou o foco para a análise computacional de MXenes, uma nova classe de materiais de engenharia bidimensionais. Um artigo que descreve os resultados de sua pesquisa do verão de 2020 está sendo revisado pelo MRS Bulletin Impact.

p O engenheiro de materiais de pesquisa da AFRL, Dhriti Nepal, disse:"É um grande prazer trabalhar com o professor Prasad. Seus conhecimentos sobre estruturas bioinspiradas para mecânica e modelagem multiescala foram excepcionalmente valiosos para projetar compósitos de próxima geração."

p Focando na multifuncionalidade

p Os materiais de engenharia normalmente caem em baldes individuais, Prasad disse. "Se quisermos materiais resistentes, escolhemos um metal; se quisermos um material projetado para flexibilidade e baixa densidade, escolhemos um polímero ou plásticos; se quisermos alta resistência e resistência ao calor, escolhemos uma cerâmica. "No entanto, para aplicações aeroespaciais, a ênfase está em materiais multifuncionais.

p "A multifuncionalidade é construída em sistemas naturais, "Prasad disse. As plantas de crescimento rápido devem ser flexíveis, mas manter a resistência ideal e fornecer um caminho resiliente para água e gerenciamento térmico conforme a estrutura cresce. Cascas e exoesqueletos são exemplos de materiais com um bom equilíbrio de resistência e resistência, mantendo as propriedades, como a suavidade da superfície para defesa contra parasitas.

p MXene - pronunciado como o nome Maxine, descoberto em 2011 na Drexel University, tem combinações de propriedades exclusivas. Ele pode ser feito em filmes finos altamente condutores e fortes em camadas de apenas alguns átomos, semelhante ao grafeno. "Este novo material bidimensional tem uma resistência muito alta em um plano quando você o puxa e é muito condutivo e resistente ao calor, "Prasad disse.

p Ao contrário do átomo único (carbono) do grafeno, A estrutura de camadas 2D do MXene pode ter uma ampla gama de composições, onde M representa o metal de transição inicial, como titânio ou cromo, e X representa carbono e / ou nitrogênio. "Porque os compostos não são apenas um único elemento, podemos brincar com eles, funcionalizando as camadas superficiais para diferentes aplicações, "Prasad disse. Outros pesquisadores estimam que mais de um milhão de compostos de liga de MXene ainda não foram descobertos.

p Contudo, filmes MXene puros têm uma espessura fina, estrutura escamosa que torna difícil criar uma combinação composta que retém as propriedades exclusivas ao mesmo tempo que fornece durabilidade estrutural. "Se você adicionar polímero a MXenes para formar um composto, fornece estabilidade estrutural, mas os compostos podem perder sua funcionalidade principal de condutividade. Para torná-los úteis, devemos encontrar caminhos de design composto que não alterem suas propriedades únicas, "Prasad disse.

p O químico pesquisador do AFRL Vikas Varshney disse:"Combinar a multifuncionalidade com a viabilidade estrutural em tais compostos é crucial para uma série de aplicações estruturais da Força Aérea. Trabalhando com o Dr. Prasad, planejamos modelar e explorar o máximo possível de um espaço de fase para compreender o papel dos diferentes parâmetros compostos no controle de suas propriedades estruturais, eventualmente orientando experimentalistas para o desenvolvimento de materiais compósitos multifuncionais estruturalmente sólidos. "

p Analisando estruturas MXene

p Prasad comparou a estrutura do fino, comprimidos individuais escamosos de compostos de polímero MXene para os tijolos em camadas e a estrutura de argamassa presente em alguns sistemas naturais como um meio de ganhar inspiração para o design do composto.

p "Muitas conchas, por exemplo, internamente têm uma estrutura de tijolo-argamassa na qual os tijolos ou telhas são polígonos e são rígidos. Todos os ladrilhos estão dispersos dentro de uma argamassa polimérica, que liga os ladrilhos e permite que eles cedam ou flexionem, " ela disse.

p Os próprios ladrilhos têm uma textura ondulada, estrutura áspera, Prasad continuou. Este desnível faz com que os ladrilhos se encaixem. "Quando ocorre uma rachadura, ele viaja em ziguezague através do polímero semelhante a argamassa, que fornece juntas de sacrifício que se quebram para dar (à peça) mais resistência e resistência à fratura. "

p Verão passado, ela e suas equipes AFRL analisaram compostos naturais para entender como seus recursos de design exclusivos poderiam ser aplicados a MXenes. Este Verão, ela continuou as tarefas de desenvolver simulações para modelar compostos baseados em MXene e interações de superfície.

p "Queremos prever sua resposta em macroescala a partir do que está acontecendo em um nível atômico de design de material, "Prasad. A partir deste outono, Jordan VonSeggern de Elk Point, major sênior de engenharia mecânica, Dakota do Sul, fará parte de seu grupo de pesquisa para continuar desenvolvendo o modelo por meio de um estágio apoiado pelo AFRL.

p Por meio de sua colaboração com pesquisadores do AFRL, Prasad "encontrou um grupo de pessoas que realmente me apoiaram e me ajudaram a explorar novas idéias". Ela planeja continuar a aplicar o que aprendeu sobre compósitos à base de MXene em suas pesquisas na SDSU.

p "Posso criar materiais compostos à base de MXene e funcionalizar as camadas para fornecer a capacidade de detectar o crescimento das plantas ou ver o que está fluindo dentro dos tecidos do xilema, "ela disse. filmes flexíveis feitos com MXenes podem ser usados ​​para criar sensores biomédicos que medem a condutividade elétrica à medida que diferentes nutrientes fluem através dos tecidos vegetais.

p Esta Primavera, Prasad recebeu uma pesquisa SDSU, Bolsa de estudos e do Fundo de Desafio de Atividades Criativas para começar a desenvolver ferramentas de simulação para prever as propriedades de compostos baseados em MXene e trazer recursos de aprendizado de máquina em sua pesquisa de materiais. O RSCA Challenge Fund da SDSU ajuda o corpo docente a gerar dados preliminares para aumentar sua capacidade de competir por financiamento externo.