p (Phys.org) —Os esqueletos leves de organismos como as esponjas do mar exibem uma resistência que excede em muito a dos produtos feitos pelo homem construídos com materiais semelhantes. Os cientistas há muito suspeitam que a diferença tem a ver com a arquitetura hierárquica dos materiais biológicos - a forma como os esqueletos baseados em sílica são construídos a partir de diferentes elementos estruturais, alguns dos quais são medidos na escala de bilionésimos de metros, ou nanômetros. Agora, os engenheiros do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) imitaram essa estrutura criando nanoestruturados, andaimes ocos de cerâmica, e descobriram que os pequenos blocos de construção, ou células unitárias, realmente exibem notável força e resistência a falhas, apesar de serem mais de 85 por cento do ar. p "Inspirado, em parte, por materiais biológicos duros e pelo trabalho anterior de Toby Schaedler e uma equipe dos Laboratórios HRL, Caltech, e UC Irvine na fabricação de microtrusses extremamente leves, projetamos arquiteturas com blocos de construção com menos de cinco mícrons de comprimento, o que significa que eles não são resolvidos pelo olho humano, "diz Julia R. Greer, professor de ciência dos materiais e mecânica na Caltech. "Construir essas arquiteturas com materiais com dimensões nanométricas nos permitiu desacoplar a resistência dos materiais de sua densidade e fabricar os chamados metamateriais estruturais, que são muito rígidos, mas extremamente leves."

p Na escala nanométrica, sólidos demonstraram exibir propriedades mecânicas que diferem substancialmente daquelas exibidas pelos mesmos materiais em escalas maiores. Por exemplo, O grupo de Greer mostrou anteriormente que, em nanoescala, alguns metais são cerca de 50 vezes mais fortes do que o normal, e alguns materiais amorfos tornam-se dúcteis em vez de quebradiços. "Estamos capitalizando esses efeitos de tamanho e usando-os para torná-los reais, estruturas tridimensionais, "Greer diz.

p Em uma publicação online antecipada da revista Materiais da Natureza , Greer e seus alunos descrevem como as novas estruturas foram feitas e responderam às forças aplicadas.

p A maior estrutura que a equipe fabricou até agora usando o novo método é um cubo de um milímetro. Os testes de compressão em toda a estrutura indicam que não apenas as células unitárias individuais, mas também a arquitetura completa podem ser dotadas de resistência excepcionalmente alta, dependendo do material, o que sugere que a técnica de fabricação geral que os pesquisadores desenvolveram poderia ser usada para produzir peso leve, componentes de pequena escala mecanicamente robustos, como baterias, interfaces, catalisadores, e dispositivos biomédicos implantáveis.

p Greer diz que o trabalho pode mudar fundamentalmente a maneira como as pessoas pensam sobre a criação de materiais. "Com esta abordagem, podemos realmente começar a pensar em projetar materiais ao contrário, "diz ela." Posso começar com uma propriedade e dizer que quero algo que tenha esta força ou condutividade térmica, por exemplo. Então, posso projetar a arquitetura ideal com o material ideal no tamanho relevante e terminar com o material que desejo. "

p A equipe primeiro projetou digitalmente uma estrutura de rede com células de unidade octaédrica repetidas - um projeto que imita o tipo de estrutura de rede periódica vista nas diatomáceas. Próximo, os pesquisadores usaram uma técnica chamada litografia de dois fótons para transformar esse projeto em uma estrutura de polímero tridimensional. Em seguida, eles revestiram uniformemente essa estrutura de polímero com camadas finas de nitreto de titânio (TiN) de material cerâmico e removeram o núcleo do polímero, deixando um nanolattice de cerâmica. A treliça é construída de escoras vazadas com paredes não mais espessas que 75 nanômetros.

p "Agora somos capazes de projetar exatamente a estrutura que queremos replicar e, em seguida, processá-la de forma que seja feita de quase qualquer classe de material que desejarmos - por exemplo, metais, cerâmica, ou semicondutores - nas dimensões certas, "Greer diz.

p Em um segundo artigo, agendada para publicação no jornal Materiais de Engenharia Avançada , O grupo de Greer demonstra que redes nanoestruturadas semelhantes podem ser feitas de ouro em vez de cerâmica. "Basicamente, uma vez que você criou o cadafalso, você pode usar qualquer técnica que permita depositar uma camada uniforme de material sobre ele, "Greer diz.

p No Materiais da Natureza trabalhar, a equipe testou as células octaédricas individuais da estrutura final de cerâmica e descobriu que elas tinham uma resistência à tração incomumente alta. Apesar de ser repetidamente submetido ao estresse, as células da rede não quebraram, enquanto um muito maior, pedaço sólido de TiN quebraria com tensões muito mais baixas. Cerâmicas típicas falham por causa de falhas - as imperfeições, como buracos e vazios, que eles contêm. "Acreditamos que a maior resistência desses materiais nanoestruturados vem do fato de que, quando as amostras se tornam suficientemente pequenas, suas falhas potenciais também se tornam muito pequenas, e a probabilidade de encontrar uma falha fraca dentro deles torna-se muito baixa, "Greer diz. Portanto, embora a mecânica estrutural preveja que uma estrutura celular feita de TiN seria fraca porque tem paredes muito finas, ela diz, "podemos efetivamente enganar essa lei reduzindo a espessura ou o tamanho do material e ajustando sua microestrutura, ou configurações atômicas. "