O que as formigas de fogo podem nos ensinar sobre como fazer melhores materiais de autocura
Formigas de fogo formam jangadas para sobreviver às enchentes. Crédito:Robert Wagner As formigas de fogo formam jangadas para sobreviver às inundações, mas como funcionam esses laços? E o que podemos aprender com eles? Um professor da Binghamton University, State University of New York, está pesquisando essas questões para expandir nosso conhecimento da ciência dos materiais.
Quando a inundação atinge uma região onde vivem as formigas de fogo, a sua resposta de sobrevivência é unir-se para formar uma "jangada" flutuante que flutua e mantém a colónia unida. Pense nisso como um material condensado e adaptativo onde os blocos de construção – formigas individuais – estão realmente vivos.
O professor assistente da Universidade de Binghamton, Rob Wagner, liderou um estudo como parte do Laboratório de Mecânica de Matéria Macia Vernerey da Universidade do Colorado em Boulder, no qual os pesquisadores investigaram a resposta adaptativa dessas jangadas vivas. Os objetivos são compreender como eles se transformam e alteram autonomamente suas propriedades mecânicas e, em seguida, incorporam as descobertas mais simples e úteis em materiais artificiais.
"Os sistemas vivos sempre me fascinaram, porque alcançam coisas que os nossos atuais materiais de engenharia não conseguem - nem perto disso", disse ele. "Fabricamos sistemas poliméricos em massa, metais e cerâmicas, mas eles são passivos. Os constituintes não armazenam energia e depois a convertem em trabalho mecânico, como faz todo sistema vivo."
Wagner vê este armazenamento e conversão de energia como essenciais para imitar os comportamentos inteligentes e adaptativos dos sistemas vivos. Experiência para testar como as jangadas de formigas de fogo responderam à carga mecânica quando esticadas. Crédito:Robert Wagner Em sua publicação mais recente no Proceedings of the National Academy of Sciences , Wagner e seus coautores da Universidade do Colorado investigaram como as jangadas de formigas de fogo respondiam à carga mecânica quando esticadas e compararam a resposta dessas jangadas a polímeros dinâmicos e autocurativos.
“Muitos polímeros são mantidos juntos por ligações dinâmicas que se rompem, mas podem ser reformadas”, disse Wagner. "Quando puxadas devagar o suficiente, essas ligações têm tempo para reestruturar o material de modo que - em vez de fraturar - ele flua como a gosma com que nossos filhos brincam ou o sorvete cremoso. Quando puxado muito rápido, porém, ele quebra mais como giz . Como as jangadas são mantidas juntas por formigas agarradas umas às outras, os seus laços podem romper-se e reformar-se. Então, os meus colegas e eu pensámos que eles fariam a mesma coisa."
Mas Wagner e os seus colaboradores descobriram que, independentemente da velocidade com que puxassem os formigueiros, a sua resposta mecânica era quase a mesma e nunca fluíam. Wagner especula que as formigas apertam e prolongam reflexivamente seus apoios quando sentem força porque querem ficar juntas. Eles recusam ou desligam seu comportamento dinâmico.
Este fenómeno de ligações que se fortalecem quando lhes é aplicada força é denominado comportamento de captura de ligações e provavelmente aumenta a coesão da colónia, o que faz sentido para a sobrevivência.
"À medida que você puxa os laços típicos com alguma força, eles vão se soltar mais cedo e sua vida útil diminui - você está enfraquecendo o vínculo ao puxá-lo. Isso é o que você vê em quase todos os sistemas passivos, ", disse Vagner.
"Mas em sistemas vivos, devido à sua complexidade, às vezes é possível ter ligações de captura que se mantêm por períodos mais longos sob alguma faixa de força aplicada. Algumas proteínas fazem isso mecanicamente e automaticamente, mas não é como se as proteínas estivessem tomando uma decisão. Elas Eles são organizados de tal maneira que, quando uma força é aplicada, ela revela esses locais de ligação que travam ou 'prendem'."
Wagner acredita que imitar essas ligações de captura em sistemas projetados poderia levar a materiais artificiais que exibem autofortalecimento autônomo e localizado em regiões de maior estresse mecânico. Isto poderia aumentar a vida útil de implantes biomédicos, adesivos, compósitos de fibra, componentes de robótica leve e muitos outros sistemas.
Agregações coletivas de insetos, como jangadas de formigas de fogo, já estão inspirando pesquisadores a desenvolver materiais com propriedades mecânicas e comportamentos responsivos a estímulos. Um artigo em Nature Materials no início deste ano - liderado pelo Ware Responsive Biomaterials Lab da Texas A&M e incluindo contribuições de Wagner e seu ex-orientador de tese, Professor Franck J. Vernerey - demonstra como fitas feitas de géis especiais ou materiais chamados elastômeros de cristal líquido podem enrolar devido ao aquecimento, e então se entrelaçam para formar estruturas condensadas e sólidas que foram inspiradas por essas formigas
"Uma progressão natural deste trabalho é responder como podemos fazer com que as interações entre essas fitas ou outros blocos de construção macios 'peguem' sob carga, como fazem as formigas de fogo e algumas interações biomoleculares", disse Wagner.
