Pesquisadores da Rice University criaram um material sintético que fica mais forte com o estresse repetido, da mesma forma que o corpo fortalece ossos e músculos após repetidos exercícios.

Trabalho pelo laboratório de arroz de Pulickel Ajayan, professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais e química, mostra o potencial de enrijecimento de nanocompósitos à base de polímero com cargas de nanotubos de carbono. A equipe relatou sua descoberta neste mês no jornal ACS Nano .

O truque, parece, encontra-se no complexo, interface dinâmica entre nanoestruturas e polímeros em materiais nanocompósitos cuidadosamente projetados.

Brent Carey, um estudante de graduação no laboratório de Ajayan, encontrou a propriedade interessante ao testar as propriedades de fadiga de alto ciclo de um compósito que ele fez ao se infiltrar em uma floresta de linhas verticalmente alinhadas, nanotubos de paredes múltiplas com polidimetilsiloxano (PDMS), um inerte, polímero de borracha. Para sua grande surpresa, carregar repetidamente o material não pareceu danificá-lo. Na verdade, o estresse o tornava mais rígido.

Carey, cuja pesquisa é patrocinada por uma bolsa da NASA, usaram análise mecânica dinâmica (DMA) para testar seu material. Ele descobriu que depois de impressionantes 3,5 milhões de compressões (cinco por segundo) ao longo de cerca de uma semana, a rigidez do composto aumentou em 12 por cento e mostrou potencial para melhorias ainda maiores.

"Demorou um pouco para que o instrumento fizesse isso, "Carey disse." O DMA geralmente assume que o seu material não está mudando de forma permanente. Nos primeiros testes, o software ficava me dizendo, 'Eu danifiquei a amostra!' conforme a rigidez aumentava. Eu também tive que enganá-lo com um loop de programa insolúvel para atingir o grande número de ciclos. "

Os cientistas de materiais sabem que os metais podem endurecer por deformação durante a deformação repetida, resultado da criação e bloqueio de defeitos - conhecidos como deslocamentos - em sua rede cristalina. Polímeros, que são feitos de longos, repetindo cadeias de átomos, não se comporte da mesma maneira.

A equipe não sabe exatamente por que seu material sintético se comporta dessa forma. "Pudemos descartar outras ligações cruzadas no polímero como uma explicação, "Disse Carey." Os dados mostram que há muito pouca interação química, caso existam, entre o polímero e os nanotubos, e parece que essa interface de fluido está evoluindo durante o estresse. "

"O uso de nanomateriais como preenchimento aumenta tremendamente essa área de interface para a mesma quantidade de material de preenchimento adicionado, "Ajayan disse." Portanto, os efeitos interfaciais resultantes são amplificados em comparação com os compósitos convencionais.

"Para materiais de engenharia, as pessoas adorariam ter um composto como este, "disse ele." Este trabalho mostra como os nanomateriais em compósitos podem ser usados ​​criativamente. "

Eles também descobriram outra verdade sobre esse fenômeno único:a simples compressão do material não alterou suas propriedades; apenas o estresse dinâmico - deformando-o repetidamente - o tornava mais rígido.

Carey fez uma analogia entre o material e os ossos. "Contanto que você esteja regularmente estressando um osso do corpo, vai permanecer forte, "disse ele." Por exemplo, os ossos do braço da raquete de um jogador de tênis são mais densos. Essencialmente, este é um efeito adaptativo que nosso corpo usa para suportar as cargas aplicadas a ele.

"Nosso material é semelhante no sentido de que uma carga estática em nosso composto não causa uma alteração. Você precisa estressá-lo dinamicamente para melhorá-lo."

A cartilagem pode ser uma comparação melhor - e possivelmente até mesmo uma futura candidata para substituição de nanocompósitos. "Podemos imaginar que essa resposta seja atraente para o desenvolvimento de cartilagem artificial que pode responder às forças que estão sendo aplicadas a ela, mas permanece flexível em áreas que não estão sendo estressadas, "Carey disse.

Ambos os pesquisadores observaram que este é o tipo de pesquisa básica que faz mais perguntas do que respostas. Embora eles possam medir facilmente as propriedades de volume do material, é uma história totalmente diferente entender como o polímero e os nanotubos interagem em nanoescala.

"As pessoas têm tentado resolver a questão de como a camada de polímero ao redor de uma nanopartícula se comporta, "Ajayan disse.
"É um problema muito complicado. Mas, fundamentalmente, é importante se você é um engenheiro de nanocompósitos.

"Dessa perspectiva, Acho que esse é um lindo resultado. Isso nos diz que é viável projetar interfaces que façam o material fazer coisas não convencionais. "