p Nos dias de hoje, a engenharia aeroespacial tem tudo a ver com coisas leves:construir aviões com asas mais leves, fuselagem e trem de pouso em um esforço para reduzir os custos de combustível. p Compósitos avançados de fibra de carbono têm sido usados ​​nos últimos anos para aliviar as cargas dos aviões. Esses materiais podem combinar alumínio e titânio em resistência, mas com uma fração do peso, e podem ser encontrados em aeronaves como o Boeing 787 e Airbus A380, reduzindo o peso desses jatos em 20 por cento.

p Para a próxima geração de jatos comerciais, pesquisadores estão procurando materiais ainda mais fortes e leves, como os compostos feitos com fibras de carbono revestidas com nanotubos de carbono - minúsculos tubos de carbono cristalino. Quando organizado em certas configurações, nanotubos podem ser centenas de vezes mais fortes que o aço, mas apenas um sexto do peso, tornando esses compostos atraentes para uso em aviões, assim como carros, trens, espaçonaves e satélites.

p Mas um obstáculo significativo para alcançar esses compostos está na nanoescala:os cientistas que tentaram cultivar nanotubos de carbono em fibras de carbono descobriram que fazer isso degrada significativamente as fibras subjacentes, despojando-os de sua força inerente.

p Agora, uma equipe do MIT identificou a causa raiz desta degradação da fibra, e desenvolveram técnicas para preservar a resistência das fibras. Aplicando suas descobertas, os pesquisadores revestiram as fibras de carbono com nanotubos sem causar degradação da fibra, tornando as fibras duas vezes mais fortes do que as fibras revestidas com nanotubos anteriores - abrindo o caminho para compostos de fibra de carbono que não são apenas mais fortes, mas também mais eletricamente condutivo. Os pesquisadores dizem que as técnicas podem ser facilmente integradas aos processos atuais de fabricação de fibras.

p "Até agora, as pessoas estavam basicamente melhorando uma parte do material, mas degradando a fibra subjacente, e foi uma troca, você não poderia obter tudo o que queria, "diz Brian Wardle, professor associado de aeronáutica e astronáutica no MIT. “Com esta contribuição, agora você pode obter tudo o que deseja. "

p Um artigo detalhando os resultados de Wardle e seus colegas foi publicado na revista Materiais e interfaces aplicados ACS . Os co-autores são o pós-doutorando Stephen Steiner, que contribuiu para a pesquisa como aluno de pós-graduação, e Richard Li, um estudante de graduação que era graduando no laboratório de Wardle.

p Chegando ao âmago da degradação da fibra

p Para entender como as fibras de carbono são fabricadas, o grupo visitou fábricas de produção de fibra de carbono no Japão, Alemanha e Tennessee. Um aspecto do processo de fabricação da fibra se destacou:durante a fabricação, as fibras são esticadas até perto de seu ponto de ruptura à medida que são aquecidas a altas temperaturas. Em contraste, pesquisadores que tentaram cultivar nanotubos em fibras de carbono em laboratório normalmente não usam a tensão em seus processos de fabricação.

p Para replicar o processo de fabricação que testemunharam, Li e Steiner projetaram um aparelho em pequena escala feito de grafite. Os pesquisadores amarraram fibras de carbono individuais - cada uma 10 vezes mais fina do que um fio de cabelo humano - em todo o dispositivo, muito parecido com as cordas de uma guitarra, e pendurou pequenos pesos em cada extremidade de cada fibra, puxando-os tensos. O grupo então cultivou nanotubos de carbono nas fibras, primeiro cobrindo as fibras com um conjunto especial de revestimentos, e, em seguida, aquecer as fibras em uma fornalha. Eles então usaram a deposição química de vapor para fazer crescer uma camada difusa de nanotubos ao longo de cada fibra.

p Para fazer os nanotubos crescerem, a fibra normalmente precisa ser revestida com um catalisador de metal como o ferro, mas os pesquisadores levantaram a hipótese de que tais catalisadores também podem ser a fonte de degradação da fibra. Em seus experimentos, Contudo, Steiner e Li descobriram que o catalisador contribuiu apenas para cerca de 15 por cento da degradação da fibra.

p "Quando chegamos ao âmago da questão, descobrimos que o catalisador de metal, o culpado percebido, acabou por ser mais cúmplice, "Steiner diz." Pudemos ver que causou um pequeno dano, mas não era a coisa que realmente matava tudo. "

p Em vez de, o grupo encontrou, depois de mais experimentos, que a maior parte da degradação da fibra foi devido a um fenômeno mecanoquímico não identificado anteriormente, decorrente de uma falta de tensão quando as fibras de carbono são aquecidas acima de uma determinada temperatura.

p Condicionador de cabelo ao contrário

p Depois de identificar as causas da degradação da fibra, os pesquisadores criaram duas estratégias práticas para o cultivo de nanotubos em fibra de carbono que preservam a resistência da fibra.

p Primeiro, a equipe revestiu a fibra de carbono com uma camada de cerâmica de alumina para "disfarçá-la", permitindo que o catalisador de ferro adira à fibra sem degradá-la. A solução, Contudo, veio com outro desafio:a camada de alumina não parava de descascar.

p Para manter a alumina no lugar, a equipe desenvolveu um revestimento de polímero chamado K-PSMA - que, como Steiner descreve, funciona como o condicionador de cabelo ao contrário. Os condicionadores de cabelo têm duas características químicas aparentemente opostas:um componente absorvente de água que permite que o condicionador grude no cabelo, e um componente à prova d'água que evita que o cabelo fique crespo. Da mesma forma, K-PSMA tem componentes hidrofílicos e hidrofóbicos, mas seu recurso à prova d'água adere à fibra de carbono, enquanto o componente absorvente de água atrai a alumina e o catalisador de metal.

p Em seus experimentos, os pesquisadores descobriram que o revestimento permitiu que a alumina e o catalisador de metal aderissem, sem ter que adicionar outros processos, como pré-condicionar a superfície da fibra. A equipe colocou as fibras revestidas sob tensão, e cresceu nanotubos com sucesso sem danificar a fibra.

p Para a segunda estratégia do grupo, Steiner observou que pode ser possível eliminar a necessidade de tensão reduzindo a temperatura de crescimento dos nanotubos. Usando um processo de crescimento de nanotubos recentemente descoberto junto com K-PSMA, a equipe demonstrou que é possível cultivar nanotubos a uma temperatura muito mais baixa - quase 300 graus Celsius mais fria do que normalmente usada - evitando danos à fibra subjacente, .

p “Este processo reduz não apenas a quantidade de energia e o volume de gás necessário, mas a quantidade de substâncias estranhas que você tem que colocar na fibra, "Steiner diz." Na verdade, é muito simples e econômico. "

p Milo Shaffer, professor de química de materiais no Imperial College, Londres, afirma que as técnicas de fibra de carbono do grupo podem ser úteis no projeto de compostos para uso em eletrodos e filtros de ar. Uma próxima etapa em direção a esse objetivo, ele diz, é garantir que as várias camadas e revestimentos da fibra permaneçam no lugar.

p “Este resultado indica um fator importante a ser incorporado em futuros desenvolvimentos de 'fibra de carbono peluda', "diz Shaffer, que não contribuíram com a pesquisa. "O efeito das várias combinações de revestimento na fixação [nanotubo], e a eventual - e crítica - adesão de matriz de fibra em compósitos, continua a ser explorado. "

p Os pesquisadores registraram uma patente para as duas estratégias, e imaginar compostos de fibra avançados incorporando suas técnicas para uma ampla gama de aplicações.

p "Não há muitas pessoas inovando a química de materiais para aplicações estruturais aeroespaciais avançadas, "Steiner diz." Eu acho que isso é particularmente emocionante, e tem uma possibilidade muito real de causar um impacto em grande escala no meio ambiente, e no desempenho dos veículos aeroespaciais. " p 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.