Uma equipe internacional liderada por pesquisadores do Technion-Israel Institute of Technology, junto com colegas do Síncrotron Europeu, Grenoble, França, descobriram como um equinoderma chamado Ophiocoma wendtii, conhecido como uma estrela frágil, pode criar materiais como vidro temperado debaixo d'água. Os resultados são publicados em Ciência e pode abrir novas rotas bioinspiradas para o endurecimento de cerâmicas frágeis em várias aplicações que vão desde lentes ópticas a turbocompressores automotivos e até mesmo implantes de biomateriais.

Centenas de lentes focais estão localizadas nos braços da estrela frágil. Essas lentes, feito de carbonato de cálcio, são poderosos e precisos, e o estudo de sua estrutura cristalina e em nanoescala ocupou Boaz Pokroy e sua equipe, do Technion-Israel Institute of Technology, nos últimos três anos. Graças à pesquisa feita em três linhas de luz ESRF, ID22, ID13 e ID16B, entre outros laboratórios, eles descobriram o mecanismo de proteção exclusivo das lentes altamente resistentes.

Como um exemplo, pegue o vidro temperado. É produzido exercendo pressão compressiva sobre o vidro que o comprime e o deixa mais compacto do que em seu estado natural. A têmpera do vidro é realizada aquecendo e resfriando rapidamente o material. Nesse processo, o lado de fora do material esfria mais rapidamente do que o lado de dentro e, portanto, comprime o lado de dentro. As lentes Ophiocoma wendtii são criadas em mar aberto, à temperatura ambiente, ao contrário do vidro temperado. “Nós descobrimos uma estratégia para tornar o material quebradiço muito mais durável em condições naturais. É 'engenharia de cristal, "e revenido sem aquecimento e têmpera, um processo que pode ser muito útil na engenharia de materiais, "explica Pokroy.

A formação de lentes de calcita foi descoberta graças a uma longa série de experimentos no ESRF, e o microscópio eletrônico de transmissão Titan no Technion. "Quando chegamos ao ESRF, não esperávamos que nossa pesquisa chegasse a esses resultados, "diz Pokroy. A equipe veio primeiro para ID22, onde eles usaram difração de raios-X em pó para examinar o material na forma de pó enquanto o aquecia. "Nós entendemos que tínhamos nanodomínios após este experimento, então fizemos um pouco de microscopia eletrônica de transmissão em casa, em seguida, veio para ID13 para mapear os nanodomínios e, finalmente, para ID16 para fazer tomografia sobre como as diferentes partículas se organizam em diferentes camadas, " ele adiciona.

Os pesquisadores internacionais descobriram que o estágio crucial no processo de formação das lentes é a transição da fase amorfa - a fase entre o líquido e o sólido - para a fase cristalina. Nesta fase, nanopartículas de calcita, que são ricos em magnésio e caracterizados por uma densidade relativamente baixa, separado do resto do material. A diferença na concentração de magnésio nas partículas de calcita causa vários graus de dureza, densidade, e pressão em diferentes regiões do material. Partículas ricas em magnésio pressionam a parte interna da lente conforme ela se cristaliza e a "tempera" em um material cristalino transparente e resistente.

"A natureza exibe uma tremenda criatividade ao melhorar as habilidades do organismo em vários contextos, como força, de detecção, e autodefesa. Aqui, também, no processo de criação de lentes transparentes resistentes e precisas, vemos uma tremenda eficiência no uso de matérias-primas existentes sob condições no ambiente natural. ”Os engenheiros agora podem usar esta bioestratégia recém-descoberta no endurecimento e fortalecimento de materiais cerâmicos sintéticos em várias aplicações que vão de lentes ópticas a turbocompressores automotivos e até mesmo implantes de biomateriais.