p A natureza tem uma grande vantagem sobre qualquer equipe de pesquisa humana:muito tempo. Bilhões de anos, na verdade. E durante todo esse tempo, produziu alguns materiais verdadeiramente incríveis - usando blocos de construção fracos que os engenheiros humanos ainda não descobriram como usar para aplicações de alta tecnologia, e com muitas propriedades que os humanos ainda precisam encontrar maneiras de duplicar. p Mas agora vários pesquisadores, como o professor do MIT Markus Buehler, começaram a desvendar esses processos em um nível profundo, não apenas descobrir como os materiais se comportam, mas quais são as características estruturais e químicas essenciais que lhes conferem suas propriedades únicas. No futuro, eles esperam imitar essas estruturas de maneiras que produzam resultados ainda melhores.

p Tudo se resume à montagem de estruturas complexas de pequenas, blocos de construção simples, Buehler explica. Ele gosta de usar uma analogia musical:uma sinfonia compreende muitos instrumentos diferentes, cada um dos quais por si só nunca poderia produzir algo tão grande e complexo quanto os ricos combinados, experiência musical completa. De maneira semelhante, ele espera construir materiais complexos com propriedades anteriormente indisponíveis usando blocos de construção simples montados de maneiras que se inspiram nos usados ​​pela natureza.

p Engenheiros humanos, ele explica, têm pelo menos uma vantagem importante sobre a natureza:eles podem escolher seus materiais. Natureza, por contraste, muitas vezes tem que se contentar com o que está disponível localmente, e quaisquer estruturas que tenham sido criadas por meio da longa tentativa e erro da evolução. “Uma aranha ou uma célula, ”Buehler diz, “Não tem grandes recursos. Não pode importar materiais, ele usa o que está disponível. ”

p Em materiais biológicos, como seda de aranha, a geometria das estruturas faz toda a diferença. Seda, um assunto de estudos anteriores de Buehler e seus colegas, é feito de moléculas que são, neles mesmos, inerentemente fraco, mas as moléculas básicas em forma de disco são combinadas em pequenas pilhas, que, por sua vez, são combinados em fibras reticuladas de uma maneira que torna o todo muito mais forte do que suas partes componentes. Os engenheiros podem aprender uma ou duas coisas com essas estruturas, Buehler sugere, com seus diferentes arranjos em diferentes escalas. “Se descobrirmos como projetar coisas em várias escalas, não precisamos de blocos de construção sofisticados, ”Diz ele.

p Peter Fratzl, um cientista de materiais no Instituto Max Planck de Colóides e Interfaces na Alemanha, vê uma grande promessa nesta abordagem. “Não é tanto a composição química que realmente conta, mas a maneira como os componentes (que podem ser intrinsecamente pobres) são unidos, ”Diz ele. “Desvendar esses princípios estruturais requer abordagens experimentais, bem como teóricas, cobrindo muitas escalas de comprimento, desde o tamanho das moléculas até os órgãos completos. ”Até agora, a pesquisa tem sido principalmente do lado teórico, mas Buehler e outros esperam continuar com o trabalho experimental também.

p Esta abordagem de design não só traz a promessa de criar materiais com grandes qualidades de resistência, ou elasticidade, ou com propriedades ópticas ou elétricas úteis, mas também para fazer uso de materiais que agora são considerados de pouca utilidade, ou mesmo resíduos de produtos.

p Estruturas hierárquicas

p A chave para fazer materiais fortes a partir de componentes fracos, Buehler encontrou, reside na maneira como pequenas peças são organizadas em padrões maiores de maneiras diferentes em escalas diferentes - em outras palavras, em um conjunto hierárquico de estruturas. “Este paradigma, a formação de estruturas distintas em múltiplas escalas de comprimento, permite que materiais biológicos superem as fraquezas intrínsecas dos blocos de construção, ”Ele escreveu em um artigo publicado este mês no jornal Nano Hoje .

p A maioria dos materiais estruturais projetados por pessoas, por outro lado - aço, tijolos, argamassa - possuem estruturas simples que não variam com a escala, embora alguns materiais compostos e estruturas construídas a partir de componentes, como nanotubos de carbono, estejam começando a implementar pelo menos alguma diferenciação de estrutura em escala. Mas Buehler vê isso como uma área que está pronta para novos designs muito mais sofisticados e complexos.

p Buehler sugere que, assim como a biologia fez, humanos poderiam projetar materiais com propriedades desejadas, como resistência ou flexibilidade, usando materiais abundantes e baratos, como sílica, que em forma de massa é quebradiça e fraca. “O design de estruturas hierárquicas pode ser a chave para superar sua fragilidade ou fragilidade intrínseca, propriedades que atualmente impedem sua ampla aplicação tecnológica, ”Ele escreveu no jornal Nano Today. Usando estruturas inteligentemente projetadas, ele sugere, os humanos devem ser capazes de produzir materiais com quase todos os tipos de propriedades desejadas, mesmo usando um muito limitado, e um conjunto “quase arbitrário” de componentes.

p “Estamos tentando desenvolver modelos de computador, ”Ele diz, “Para que possamos fazer previsões” sobre as propriedades dos materiais construídos de maneiras que nunca foram feitas antes. “Como engenheiros, temos modelos de como fazer um carro, ou um prédio, ”Diz ele. Mas para projetar as estruturas básicas de novos materiais, a tecnologia hoje "está realmente em um estágio infantil". Mas, à medida que esses modelos são desenvolvidos, ele diz com confiança, “Podemos fazer muito melhor do que biologia”.

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Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.