O mais leve possível e o mais forte possível ao mesmo tempo:estes são os requisitos para materiais leves modernos, como os usados ​​na construção de aeronaves e na indústria automotiva. Uma equipe de pesquisa da Helmholtz-Zentrum Geesthacht (HZG) e da Universidade de Tecnologia de Hamburgo (TUHH) agora desenvolveu uma nova abordagem de design de materiais para futuros materiais ultraleves:escoras de metal do tamanho de um nanômetro que formam redes aninhadas em níveis hierárquicos separados fornecem uma força incrível.

O grupo de pesquisa apresenta suas descobertas na edição atual da revista. Ciência .

Quando a Torre Eiffel foi inaugurada em 1889, foi considerada uma maravilha técnica. Seu arranjo engenhoso e delicado de vigas de ferro grandes e pequenas fornecia estabilidade extraordinária, e era, de longe, o prédio mais alto do mundo na época. O termo "hierárquico" descreve a abordagem de engenharia de uma matriz aberta de vigas maiores reforçadas por vigas menores. Por vários anos agora, pesquisadores da ciência dos materiais tentaram transferir esta abordagem eficiente para a microestrutura interna dos materiais, por exemplo, usando impressoras 3-D que podem replicar estruturas de treliça de engenharia em uma escala de micrômetro.

Até aqui, as esperanças de criar uma nova geração de materiais de construção leves extremamente fortes não se concretizaram. Um dos motivos:"Uma impressora 3D pode imprimir no máximo cerca de 10, 000 vigas, e isso vai levar horas, "diz o professor Jörg Weißmüller do Instituto de Mecânica de Materiais do HZG, co-autor da publicação atual. "Para aplicações práticas, esta não é realmente uma opção viável. "

Correndo prata

No entanto, sua equipe está buscando uma meta ainda mais ambiciosa:se os feixes pudessem ser reforçados reduzindo o tamanho para poucos nanômetros de diâmetro, eles podem fornecer a base para um novo tipo de material - excepcionalmente leve, e ao mesmo tempo, Forte. Contudo, este tipo de material teria que conter trilhões de vigas, excedendo em muito a capacidade até mesmo da impressora mais sofisticada. "É por isso que temos que enganar a natureza para fazer esses tipos de materiais para nós, simplesmente por auto-organização, "O colega de Weißmüller, Dr. Shan Shi, autor principal do estudo, explica.

Para começar, a equipe usou uma liga de 93% de prata e 7% de ouro. Esta liga é mergulhada em ácido sulfúrico diluído, dissolvendo aproximadamente metade da prata. Como resultado, o material restante se reorganiza, formando uma delicada rede de feixes em nanoescala. Depois, o material é submetido a um tratamento térmico a várias centenas de graus. "Isso torna a rede mais grossa para um tamanho de feixe de 150 nanômetros, mantendo a arquitetura original, "Shi explica.

Durante a última etapa, ácido é usado para lavar o resto da prata, deixando apenas feixes de ouro com um tamanho de poro de 15 nanômetros em média. O resultado é um material estruturado hierarquicamente com dois tamanhos de feixe distintos, não muito diferente da Torre Eiffel. Como resultado de sua estrutura de rede aberta, este novo material consiste em 80 a 90% de ar, dando-lhe uma densidade de apenas 10 a 20% do metal sólido.

Incrivelmente leve, incrivelmente forte

O grupo de pesquisa então testou as propriedades mecânicas de suas amostras de tamanho milimétrico. “Tendo em vista a baixa densidade desse material, mostra valores excepcionalmente altos para os principais parâmetros mecânicos, como resistência e módulo de elasticidade, "Jörg Weißmüller diz." Removemos grande parte da massa e deixamos muito pouco, mas o material é muito mais resistente do que o estado da arte até agora. " ele disse, demonstra pela primeira vez que uma estrutura hierárquica pode ser benéfica não apenas para estruturas de treliça de engenharia macroscópica, como a Torre Eiffel, mas também para materiais de rede leves.

O novo material ainda não é adequado para aplicações em construção leve - ouro é simplesmente muito caro, muito pesado e muito macio para esse propósito. Ainda, a nova abordagem de design de materiais HZG poderia ser transferida para outro, metais mais tecnologicamente relevantes, como alumínio, magnésio ou titânio. Os pesquisadores terão então que enfrentar outro desafio:até agora, eles só foram capazes de fabricar pequenos, amostras de tamanho milimétrico. "Mas parece inteiramente viável fazer fios ou até folhas inteiras de metal por nosso processo, "Weißmüller diz." Nesse ponto, o material se tornará interessante em cenários da vida real, por exemplo, em novos conceitos para veículos mais leves e, portanto, mais eficientes em termos energéticos. "