Cientistas de materiais da ETH-Zürich estão trabalhando em materiais compostos que imitam a estrutura das conchas. Essas estruturas complexas são produzidas usando minúsculas partículas magnéticas que guiam os elementos mais rígidos dos compósitos para o lugar. Essa técnica possibilita novas tecnologias, desde revestimentos duráveis ​​até materiais mais resistentes e leves.

Os materiais compostos são amplamente difundidos em nossa sociedade. Eles são usados ​​em uma ampla variedade de estruturas, desde asas de aviões e barcos de fibra de vidro até pás de turbinas eólicas e restaurações dentárias. Como os compostos combinam diferentes classes de materiais, como plásticos, metais, e cerâmicas, é possível projetá-los para serem simultaneamente rígidos e fortes, leve e flexível. Essa combinação de propriedades não pode ser alcançada usando apenas uma classe de material; plásticos não são rígidos, metais não são leves, e cerâmicas não são flexíveis.

O projeto e a fabricação de compósitos que alcançam essas combinações de propriedades requerem a orientação adequada e a colocação de cerâmicas fortes e rígidas ou fibras poliméricas dentro de um material polimérico mais macio e mais leve, como uma cola epóxi. Sem orientação adequada, os elementos mais rígidos são ineficazes em seu papel de fortalecer o material mais macio.

Alta rigidez e resistência

A capacidade de controlar essa orientação há muito tempo ilude os fabricantes de compósitos. Os materiais compostos atuais contêm fibras rígidas, muitas vezes dispostas como um pedaço de tecido, que é posteriormente infiltrado com um macio, resina polimérica leve. Isso proporciona alta rigidez e resistência no plano do tecido, que podem ser facilmente observadas puxando-se as pontas de uma única camada de tecido. As técnicas de fabricação atuais empilham várias camadas finas para criar estruturas maiores.

Contudo, isso normalmente leva a compósitos com fraca resistência ao impacto e alta suscetibilidade à delaminação entre camadas empilhadas. Interessantemente, materiais compostos produzidos por organismos vivos exibem soluções elegantes para esses problemas, construindo compostos biológicos usando elementos de reforço com arquiteturas 3D exclusivas, como exemplificado pela estrutura da concha. Estratégias de reforço 3D semelhantes também são encontradas nos dentes, osso e caules de plantas.

Controle preciso de elementos de reforço

Na edição de 13 de janeiro da revista Ciência , pesquisadores da ETH-Zurich divulgaram uma técnica recém-desenvolvida que permite o controle preciso desses elementos de reforço mais rígidos em um compósito sintético. Sua técnica emprega forças magnéticas, contando com um fenômeno semelhante a um ímã de barra orientando recheios de ferro. O principal desafio era o fato de que os materiais de interesse para os compósitos são não magnéticos e, portanto, não reagem às forças magnéticas.

A equipe da ETH descobriu que eles poderiam permitir uma resposta magnética nesses materiais anexando uma quantidade surpreendentemente pequena de nanopartículas magnéticas (1/1000 do diâmetro de um cabelo humano) na superfície dos elementos rígidos. Este método só funciona para elementos rígidos de um tamanho definido na faixa do micrômetro, que coincide com os tamanhos de interesse principal na indústria de compósitos. O uso de elementos mais rígidos nesta escala fornece controle de orientação usando campos magnéticos que são apenas 20 vezes maiores que os da Terra. Para comparação, tarjas de cartão de crédito emitem campos magnéticos próximos de 2, 000 vezes o do campo da Terra.

Colocando a técnica em uso industrial

A equipe de pesquisa demonstrou que esta técnica pode ser usada para produzir uma família inteira de novas estruturas compostas que não eram possíveis antes (Figura 2). Essas novas estruturas exibem propriedades de materiais programáveis ​​em qualquer direção desejada, uma característica que não foi demonstrada com técnicas anteriores. Como o novo método depende de campos magnéticos baixos e revestimentos pequenos, a aplicabilidade em processos de fabricação existentes é clara.

A equipe da ETH está atualmente trabalhando com empresas comerciais para colocar essa técnica em uso industrial. The industrialization of this approach offers a pathway to lighter, cheaper, and stronger composite materials for the automotive and aerospace industries and for the development of materials to promote renewable energy harvesting such as with lighter, stronger wind turbine blades.

The ETH team plans to continue this work by adapting these techniques to a variety of new systems and new materials.