p Tacos de golfe de alto desempenho e asas de avião são feitos de titânio, que é tão forte quanto o aço, mas cerca de duas vezes mais leve. Essas propriedades dependem da maneira como os átomos de um metal são empilhados, mas os defeitos aleatórios que surgem no processo de fabricação significam que esses materiais são apenas uma fração da resistência que poderiam teoricamente ser. Um arquiteto, trabalhando na escala de átomos individuais, poderia projetar e construir novos materiais com relações de resistência e peso ainda melhores. p Em um novo estudo publicado na Nature Relatórios Científicos , pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia, a Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, e a Universidade de Cambridge fez exatamente isso. Eles construíram uma folha de níquel com poros em nanoescala que a tornam tão forte quanto o titânio, mas quatro a cinco vezes mais leve.

p O espaço vazio dos poros, e o processo de automontagem em que são feitos, tornar o metal poroso semelhante a um material natural, como madeira.

p E assim como a porosidade do grão da madeira tem a função biológica de transportar energia, o espaço vazio na "madeira metálica" dos pesquisadores poderia ser infundido com outros materiais. Infundir o andaime com materiais de ânodo e cátodo permitiria que essa madeira metálica servisse em dupla função:uma asa de avião ou perna protética que também é uma bateria.

p O estudo foi liderado por James Pikul, Professor Assistente do Departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada da Penn Engineering. Bill King e Paul Braun da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, junto com Vikram Deshpande na Universidade de Cambridge, contribuíram para o estudo.

p Mesmo os melhores metais naturais têm defeitos em seu arranjo atômico que limitam sua resistência. Um bloco de titânio onde cada átomo estivesse perfeitamente alinhado com seus vizinhos seria dez vezes mais forte do que o que pode ser produzido atualmente. Pesquisadores de materiais têm tentado explorar esse fenômeno por meio de uma abordagem arquitetônica, projetar estruturas com o controle geométrico necessário para desbloquear as propriedades mecânicas que surgem na nanoescala, onde os defeitos têm impacto reduzido.

p Pikul e seus colegas devem seu sucesso a uma sugestão do mundo natural.

p “O motivo pelo qual a chamamos de madeira metálica não é apenas sua densidade, que é sobre madeira, mas sua natureza celular, "Pikul diz." Os materiais celulares são porosos; se você olhar para o grão da madeira, é isso que você está vendo? -? peças que são grossas e densas e feitas para segurar a estrutura, e peças que são porosas e feitas para suportar funções biológicas, como o transporte de e para as células. "

p “Nossa estrutura é semelhante, "ele diz." Temos áreas que são grossas e densas com fortes escoras de metal, e áreas porosas com lacunas de ar. Estamos apenas operando em escalas de comprimento onde a resistência das escoras se aproxima do máximo teórico. "

p Os suportes da madeira metálica dos pesquisadores têm cerca de 10 nanômetros de largura, ou cerca de 100 átomos de níquel de diâmetro. Outras abordagens envolvem o uso de técnicas de impressão 3-D para fazer andaimes em nanoescala com precisão de cem nanômetros, mas o processo lento e meticuloso é difícil de dimensionar para tamanhos úteis.

p "Sabemos que diminuir o tamanho deixa você mais forte por algum tempo, "Pikul diz, "mas as pessoas não conseguiram fazer essas estruturas com materiais fortes e grandes o suficiente para que você pudesse fazer algo útil. A maioria dos exemplos feitos de materiais fortes eram do tamanho de uma pequena pulga, mas com a nossa abordagem, podemos fazer amostras de madeira metálica 400 vezes maiores. "

p O método de Pikul começa com pequenas esferas de plástico, algumas centenas de nanômetros de diâmetro, suspenso na água. Quando a água evapora lentamente, as esferas se acomodam e se empilham como balas de canhão, fornecendo um ordenado, estrutura cristalina. Usando galvanoplastia, a mesma técnica que adiciona uma fina camada de cromo a uma calota, os pesquisadores então infiltram as esferas de plástico com níquel. Assim que o níquel estiver no lugar, as esferas de plástico são dissolvidas com um solvente, deixando uma rede aberta de escoras metálicas.

p "Fizemos folhas dessa madeira metálica da ordem de um centímetro quadrado, ou do tamanho de um dado lateral, "Pikul diz." Para lhe dar uma noção de escala, há cerca de 1 bilhão de escoras de níquel em uma peça desse tamanho. "

p Como cerca de 70 por cento do material resultante é espaço vazio, a densidade dessa madeira metálica à base de níquel é extremamente baixa em relação à sua resistência. Com uma densidade equivalente à da água, um tijolo do material flutuaria.

p Replicar esse processo de produção em tamanhos comercialmente relevantes é o próximo desafio da equipe. Ao contrário do titânio, nenhum dos materiais envolvidos é particularmente raro ou caro por si só, mas a infraestrutura necessária para trabalhar com eles em nanoescala é atualmente limitada. Uma vez que a infraestrutura é desenvolvida, as economias de escala devem tornar a produção de quantidades significativas de madeira metálica mais rápida e menos cara.

p Uma vez que os pesquisadores podem produzir amostras de sua madeira metálica em tamanhos maiores, eles podem começar a submetê-lo a mais testes em macroescala. Uma melhor compreensão de suas propriedades de tração, por exemplo, é crítico.

p "Nós não sabemos, por exemplo, se nossa madeira metálica amassaria como metal ou se estilhaçaria como vidro ", diz Pikul." Assim como os defeitos aleatórios do titânio limitam sua resistência geral, precisamos entender melhor como os defeitos nas escoras de madeira metálica influenciam suas propriedades gerais. "

p Enquanto isso, Pikul e seus colegas estão explorando as maneiras como outros materiais podem ser integrados aos poros em seus andaimes de madeira metálica.

p "O interessante de longo prazo sobre este trabalho é que possibilitamos um material que tem as mesmas propriedades de resistência de outros materiais de super alta resistência, mas agora é 70 por cento de espaço vazio, "Pikul diz." E você poderia um dia preencher esse espaço com outras coisas, como organismos vivos ou materiais que armazenam energia. "