No futuro, as asas dos jatos podem ser leves como madeira balsa, ainda mais forte do que as ligas de metal mais resistentes. Essa é a promessa dos materiais nanocompósitos.

Os nanocompósitos são um verdadeiro exemplo de nanotecnologia. Eles são uma classe especial de materiais feitos de componentes menores que um milésimo da espessura de um cabelo humano. O controle desses componentes nanométricos oferece inúmeras possibilidades para o desenvolvimento de materiais com propriedades únicas.

Os nanocompósitos podem ser flexíveis e fortes, ou resistente ao calor e produtos químicos. Os materiais nanocompósitos são projetados para exibir propriedades físicas que excedem em muito as capacidades da soma de suas partes constituintes.

Pesquisadores de Stanford e IBM testaram os limites superiores da resistência mecânica em uma classe de nanocompósitos leves endurecidos por moléculas individuais, e ofereceu um novo modelo de como eles obtêm sua resistência.

As aplicações potenciais para nanocompósitos abrangem muitas indústrias, de circuitos de computador a transporte e atletismo. Eles podem até revolucionar os voos espaciais com sua capacidade de resistir a tensões e temperaturas extremas.

O estudo foi publicado em 16 de novembro na revista Materiais da Natureza por uma equipe de engenharia liderada por Reinhold Dauskardt, professor de ciência de materiais e engenharia em Stanford, e Geraud Dubois, do Centro de Pesquisa Almaden da IBM. O estudo foi patrocinado pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea.

Bem vindo a matriz

O nanocompósito neste estudo começou com um esqueleto molecular semelhante a vidro, chamada de matriz. Sozinho, a matriz é como uma esponja, entrelaçado com bilhões de poros do tamanho de nanômetros cortando sua estrutura molecular.

"Esta esponja não é macia ou flexível como as da sua cozinha, Contudo, mas muito frágil, "Dauskardt disse.

Os pesquisadores então infundiram a matriz com longa, moléculas de poliestireno em forma de cadeia - o mesmo material em uma xícara de café de isopor. A equipe de Stanford / IBM afastou-se da convenção na maneira como difundiu o polímero na matriz.

"Pegamos essas moléculas extremamente grandes, muitos, muitas vezes maiores do que os próprios poros, e os confinou nesses espaços minúsculos, "Dauskardt disse." Foi muito especial. Tipicamente, se você aquece muito essas moléculas, elas se quebram, mas descobrimos como aquecê-los apenas o suficiente para que se difundam uniformemente na matriz. "

Pontes moleculares

No papel, a equipe descreve um mecanismo de tenacidade até então desconhecido que diverge do entendimento existente de como os compósitos obtêm sua tenacidade, uma qualidade definida como a capacidade de resistir à fratura.

Como dobras compostas, torções e alongamentos, os polímeros longos são retirados dos limites dos poros, estendendo-se à medida que avançam.

"As moléculas agem como um tipo especial de mola - o que os engenheiros chamam de 'molas entrópicas' - para manter o compósito unido, "Dauskardt disse.

As descobertas não alteram as teorias existentes tanto quanto as expandem. O entendimento convencional era que os polímeros longos ficam emaranhados uns com os outros para fornecer resistência, semelhante à maneira como as fibras emaranhadas de um fio fornecem resistência à tração.

No composto Stanford / IBM, Contudo, as moléculas de polímero são dispersas e rodeadas pelas paredes dos poros, prevenir e limitar o efeito de emaranhamento. Deve haver outra explicação para o efeito de endurecimento, levando à nova teoria da equipe de endurecimento induzido por confinamento.

"Em nosso modelo, a ponte de segmentos de polímero através de fraturas potenciais, preso dentro dos poros da matriz para manter o material unido, "Dauskardt disse." Se uma rachadura se propagasse, as correntes confinadas saem dos poros e, coletivamente, alongar em grandes quantidades para dissipar a energia que, de outra forma, quebraria o material. "

Levando ao limite

A quantidade de endurecimento depende do tamanho molecular do polímero usado no nanocompósito e do quão confinadas as moléculas estão nos poros. Em última análise, Contudo, como todas as coisas, há limites para sua resistência.

"Nós mostramos que há um limite fundamental que essas moléculas eventualmente alcançam antes de quebrar, which depends upon the strength of the individual molecules themselves, " Dauskardt said.

Knowing such limits, ele disse, helps scientists and engineers understand exactly how tough a material might possibly be made and why – knowledge that could lead to greater advances.

"Once you understand that, there is the potential to work around these limits by controlling the way the molecules interact with the pores and preventing them from breaking, " Dauskardt said. "If we can do that, then there is a real possibility of creating colossal toughening in low-density nanocomposites. That would lead to some very promising new materials."