Pesquisadores desenvolvem estrutura Bouligand bioinspirada para propriedades mecânicas aprimoradas
Interface interfibrosa hierárquica e reconfigurável de estrutura Bouligand bioinspirada possibilitada por ordem moderada. (A a D) Esquema de fabricação de estrutura Bouligand bioinspirada de ordem moderada baseada em nanofibras em rede. (E e F) Interface interfibrosa hierárquica e reconfigurável da estrutura Bouligand bioinspirada de ordem moderada. (G) Instantâneos laterais e transversais dos modelos iniciais simulados ordenados (ângulo de orientação de 0°) e de ordem moderada (ângulo de orientação de 15°) montados por cadeias de celulose. (H) Número e evolução de HBs em função da deformação por tração. (I e J) Instantâneos 3D do modelo ordenado simulado inicial e do modelo ordenado moderado, mostrando a ponte de rede HB (linha azul) mais estereoscópica dentro do último. (K e L) Instantâneos dos modelos ordenados e moderadamente ordenados em três estágios típicos de deformação. A distribuição de deformação por cisalhamento indica o deslizamento relativo das cadeias de celulose no estágio plástico e a maior capacidade de resistência a falhas do modelo de ordem moderada. Instantâneos ampliados mostram o intertravamento da cadeia no modelo de ordem moderada e a separação da cadeia no modelo ordenado. Crédito:Avanços da Ciência (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl1884 Estruturas Bouligand, encontradas em materiais naturais como escamas de peixe, peritônio e ossos de lagosta, são conhecidas por fornecerem propriedades mecânicas excepcionais aos biomateriais. Embora tenha havido progresso na criação de materiais bioinspirados, a maioria das pesquisas se concentrou na união das fibras. Uma compreensão mais profunda de como as fibras interagem para melhorar as funções mecânicas é necessária agora.
Uma equipe de pesquisa liderada pelo acadêmico Yu Shuhong, da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) da Academia Chinesa de Ciências (CAS), introduziu uma estrutura Bouligand bioinspirada com uma interface interfibrosa hierárquica e reconfigurável que aumenta significativamente a resistência mecânica e a tenacidade através de transferência dinâmica de carga e dissipação de energia, oferecendo uma nova estratégia para a criação de materiais estruturais avançados.
O artigo foi publicado na revista Science Advances .
A equipe inicialmente usou nanofibras de celulose bacteriana como matriz modelo, mas teve dificuldade para entender como a orientação das nanofibras influenciava o comportamento micromecânico. Para resolver este problema, eles conduziram simulações de dinâmica molecular em larga escala com diferentes ângulos de orientação.
Os resultados revelaram que a otimização da dimensão da rede de ligação de hidrogénio através de estruturas de ligação cruzada melhorou a capacidade de transferência de carga e a resistência a danos.
Além disso, a equipe observou que ângulos de orientação excessivos enfraqueceram a eficiência da transferência de carga e a densidade das ligações de hidrogênio entre cadeias, resultando na diminuição das propriedades mecânicas. Isso destacou a importância da ordem moderada para uma interação interfacial ideal.
A ordem moderada integrou a microestrutura e as ligações de hidrogênio, superando a alta ordem estrutural devido às compensações entre a orientação estrutural, o intertravamento de fibras e as dimensões da rede de ligações de hidrogênio.
Além disso, a equipe identificou uma grande zona de sombra ao redor das rachaduras e revelou micromovimentos de nanofibras primitivas. A luz de polarização cruzada foi usada para monitorar esse micromovimento dentro da camada de membrana, permitindo a preparação de materiais estruturais Bouligand bioinspirados com acoplamento multiescala através de empilhamento helicoidal e densificação por prensagem a quente.
A estrutura Bouligand bioinspirada do USTC, possibilitada por uma ordem moderada, exibe excelentes propriedades mecânicas e estabilidade dimensional, e pode ter aplicações em campos biomédicos, como reparo e substituição de tecido de fibrocartilagem.
