p Na busca por veículos mais eficientes, engenheiros estão usando materiais de carbono mais duros e de baixa densidade, como fibras de carbono, que pode ser fabricado de forma sustentável por "cozimento" de hidrocarbonetos macios que ocorrem naturalmente na ausência de oxigênio. Contudo, a temperatura ideal de "cozimento" para estes endurecidos, materiais de carbono semelhantes ao carvão vegetal permaneceram um mistério desde a década de 1950, quando a cientista britânica Rosalind Franklin, que talvez seja mais conhecido por fornecer evidências críticas da estrutura de dupla hélice do DNA, descobriram como os átomos de carbono no açúcar, carvão, e hidrocarbonetos semelhantes, reage a temperaturas próximas de 3, 000 graus Celsius (5, 432 graus Fahrenheit) no processamento sem oxigênio. A confusão sobre se a desordem torna esses materiais semelhantes ao grafite mais fortes, ou mais fraco, impediu a identificação da temperatura ideal de "cozimento" por mais de 40 anos. p Menos, átomos de carbono dispostos de forma mais caótica produzem materiais de maior resistência, Relatório de pesquisadores do MIT na revista Carbono . Eles encontram uma ligação tangível entre a ordem aleatória dos átomos de carbono em uma resina de fenol-formaldeído, que foi "cozido" em altas temperaturas, e a resistência e densidade do material de carbono semelhante ao grafite resultante. A resina de fenol-formaldeído é um hidrocarboneto comumente conhecido como "SU-8" na indústria eletrônica. Adicionalmente, comparando o desempenho do material de carbono "cozido", os pesquisadores do MIT identificaram uma temperatura de fabricação "ponto ideal":1, 000 C (1, 832 F).

p "Esses materiais com os quais estamos trabalhando, que são comumente encontrados em SU-8 e outros hidrocarbonetos que podem ser endurecidos usando luz ultravioleta [UV], são realmente promissores para fazer redes fortes e leves de feixes e suportes em nanoescala, que só recentemente se tornou possível devido aos avanços na impressão 3-D, "diz o pós-doutorado do MIT Itai Stein SM '13, PhD '16. "Mas até agora, ninguém realmente sabia o que acontece quando você muda a temperatura de fabricação, isso é, como a estrutura afeta as propriedades. Houve muito trabalho na estrutura e muito trabalho nas propriedades, mas não havia conexão entre os dois. ... Esperamos que nosso estudo ajude a lançar alguma luz sobre os mecanismos físicos governantes que estão em jogo. "

p Stein, quem é o autor principal do artigo publicado em Carbono , liderou uma equipe sob a orientação do professor de aeronáutica e astronáutica Brian L. Wardle, consistindo de MIT Júnior Chlöe V. Sackier, ex-alunos Mackenzie E. Devoe '15 e Hanna M. Vincent '14, e os bolsistas de graduação de verão Alexander J. Constable e Naomi Morales-Medina.

p "Nossas investigações sobre este material de carbono como uma matriz para nanocompósitos levaram a mais questões, tornando este tópico cada vez mais interessante por si só. Por meio de uma série de contribuições, notavelmente de pesquisadores de graduação do MIT e bolsistas de verão, uma investigação sustentada de vários anos resultou, permitindo que alguns resultados paradoxais na literatura existente sejam resolvidos, "Wardle diz.

p Ao "assar" a resina em alta temperatura em gás inerte, um processo comumente conhecido como pirólise, os pesquisadores formaram um tipo de material de carbono semelhante ao grafite desordenado que costuma ser chamado de carbono vítreo. Stein e Wardle mostraram que quando é processado em temperaturas superiores a 1, 000 C, o material se torna mais ordenado, porém mais fraco. Eles estimaram a resistência de seu carbono vítreo aplicando uma força local e medindo a capacidade de seu material de resistir à deformação. Este tipo de medição, que é conhecido pelos engenheiros como o teste de dureza Vickers, é uma técnica altamente versátil que pode ser usada para estudar uma grande variedade de materiais, como metais, copos, e plásticos, e permitiu aos pesquisadores comparar suas descobertas com muitos materiais de engenharia bem conhecidos que incluem diamante, compósitos de fibra de carbono, e carbonetos metálicos.

p Os átomos de carbono dentro do material dos pesquisadores do MIT eram mais caoticamente organizados do que é típico para o grafite, e isso porque o fenol-formaldeído com o qual eles começaram é uma mistura complicada de compostos ricos em carbono. "Porque o hidrocarboneto estava desordenado para começar, muito da desordem permanece em seus cristalitos, pelo menos nesta temperatura, "Stein explica. Na verdade, a presença de compostos de carbono mais complexos no material o fortalece, levando a conexões tridimensionais difíceis de quebrar. "Basicamente, você fica preso na interface do cristalito, e isso leva a um melhor desempenho, " ele diz.

p Esses materiais cozidos em alta temperatura têm apenas um átomo de carbono em sua estrutura para cada três em uma estrutura de diamante. "Quando você usa esses materiais para fazer nanolattices, você pode tornar a estrutura geral ainda menos densa. Estudos futuros devem ser capazes de mostrar como fazer materiais mais leves e baratos, "Stein sugere. Hidrocarbonetos semelhantes ao fenol-formaldeído estudado aqui também podem ser obtidos de uma forma ambientalmente correta, ele diz.

p "Até agora não havia realmente um consenso sobre se ter uma densidade baixa era bom ou ruim, e estamos mostrando neste trabalho, que ter uma densidade baixa é realmente bom, "Diz Stein. Isso porque a baixa densidade nesses cristalitos significa mais conexões moleculares em três dimensões, o que ajuda o material a resistir ao cisalhamento, ou se separando. Por causa de sua baixa densidade, este material se compara favoravelmente aos nitretos de diamante e boro para uso aeroespacial. "Essencialmente, você pode usar muito mais deste material e ainda acabar economizando peso no geral, "Stein diz.

p "Este estudo representa a ciência dos materiais sólidos - conectando todas as três facetas da síntese, estrutura, e propriedade - para elucidar leis de dimensionamento mal compreendidas para o desempenho mecânico do carbono pirolítico, "diz Eric Meshot, um cientista da equipe do Laboratório Nacional Lawrence Livermore, que não esteve envolvido nesta pesquisa. "É notável que, ao empregar ferramentas de caracterização disponíveis rotineiramente, os pesquisadores juntaram as imagens estruturais moleculares e em nanoescala e decifraram esse resultado contra-intuitivo de que mais grafitização não significa necessariamente um material mais duro. É um conceito intrigante por si só que um pequeno desordem estrutural pode aumentar a dureza. "

p "Sua caracterização estrutural prova como e por que eles alcançam alta dureza em temperaturas de síntese relativamente baixas, "Meshot acrescenta." Isso pode ser impactante para as indústrias que buscam aumentar a produção desses tipos de materiais, uma vez que o aquecimento é uma etapa muito cara. "O estudo também aponta para novas direções para fazer estruturas compostas de baixa densidade com propriedades verdadeiramente transformadoras, ele sugere. "Por exemplo, incorporando a resina SU-8 inicial em, sobre, ou em torno de outras estruturas (como nanotubos como os autores sugerem), podemos sintetizar materiais que são ainda mais duros ou mais resistentes ao cisalhamento? Ou compostos que possivelmente incorporam funcionalidade adicional, como sentir? ", pergunta Meshot.

p A nova pesquisa tem relevância particular agora porque um grupo de pesquisadores alemães mostrou no ano passado em um artigo da Nature Materials como esses materiais podem formar nanolattices altamente estruturados que são fortes, leve, e são superados apenas pelo diamante. Esses pesquisadores processaram seu material a 900 C, Stein observa. "Você pode otimizar muito mais, saber qual é a escala das propriedades mecânicas com a estrutura, então você pode ir em frente e ajustar a estrutura de acordo, e é aí que acreditamos que há uma ampla implicação para o nosso trabalho neste estudo, " ele diz. 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.