Cientistas da Universidade Metropolitana de Tóquio têm estudado a resistência e a tenacidade de colunas de areia feitas de uma mistura de grãos pegajosos e não pegajosos. Eles descobriram o mecanismo por trás de como a resistência muda à medida que os grãos são misturados em diferentes proporções e como uma mistura pode ajudar a manter a coluna mais resiliente à deformação. Os grãos não pegajosos também são facilmente substituíveis por outros materiais, permitindo o design de uma matéria mais forte, resistente e funcional.



A matéria granular consiste em um grande número de pequenos grãos, como areia e pós. Esses grãos podem aderir uns aos outros, produzindo materiais fortes como o concreto. Mas força não é tudo. Materiais fortes podem ser quebradiços e quebrar facilmente quando deformados. O design de materiais orientados pela ciência que não são apenas mais fortes, mas também mais resistentes, continua a ser um desafio para os cientistas de materiais.

Uma equipe da Universidade Metropolitana de Tóquio liderada pelo professor Rei Kurita tem estudado as propriedades mecânicas de colunas de areia, um modelo simples, mas poderoso, para matéria granular. Em vez de se concentrarem em grãos que grudam uns nos outros, eles têm observado misturas de areia normal não pegajosa e areia "cinética", grãos revestidos com óleo de silicone que podem grudar uns nos outros. A pesquisa foi publicada na revista Communications Physics .

Embora a mecânica dos “grãos atraentes” seja relativamente bem compreendida, o mesmo não pode ser dito de materiais onde a pegajosidade aparece apenas em um subconjunto de grãos.

Quando fizeram colunas com diferentes proporções de grãos pegajosos, descobriram que a resistência da coluna, caracterizada pelo quanto eles se deformam quando submetidos a uma carga, mostra uma mudança escalonada característica.

Quando a proporção de areia pegajosa atinge 60%, a resistência salta repentinamente para um valor mais alto. Mais areia pegajosa não leva a nenhum aumento adicional.

Através de simulações de computador de configuração semelhante, eles descobriram que era exatamente nesse momento que os grãos pegajosos formavam uma rede rígida que se estendia pela amostra. Isto precisa ser diferenciado dos grãos pegajosos que simplesmente se conectam através da amostra; linhas de grãos pegajosos, por exemplo, podem deformar-se facilmente quando as extremidades são unidas. Somente quando há conexões suficientes entre os grãos é que os grãos pegajosos podem suportar um peso.

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No entanto, ao contrário dos materiais fortes típicos, estas colunas parcialmente pegajosas apresentam um comportamento único quando são submetidas a cargas maiores. À medida que a coluna se deforma, as colunas não quebram; em vez disso, eles mudam de forma:as conexões entre os grãos pegajosos não estão simplesmente sendo destruídas, mas são capazes de se reorganizar e se reformar. Isto torna as colunas não apenas fortes, mas também resistentes.

A equipe observa que, como mais de 60% dos grãos pegajosos não alteram a resistência, os outros 40% podem ser facilmente trocados por qualquer outro material, por exemplo, algo com propriedades antibacterianas. Esse recurso de design contra-intuitivo abre caminho para materiais compósitos que não são apenas mais fortes e resistentes, mas também funcionais.

Mais informações: Honoka Fujio et al, Mecanismos semelhantes a gel de durabilidade e deformabilidade em sistemas granulares úmidos, Física das Comunicações (2024). DOI:10.1038/s42005-023-01518-0
Informações do diário: Física das Comunicações

Fornecido pela Universidade Metropolitana de Tóquio