Os tubarões na natureza nadam em alta velocidade em oceanos profundos devido à sua alta capacidade de redução de arrasto. Os fluxos de água ao redor da pele do tubarão são interrompidos por estruturas em microescala escalonadas e sobrepostas, chamadas dentículos. Além dessa rugosidade superficial, a água desliza em uma interface fluido-sólido com múltiplos microrribos semelhantes a sulcos em microdentículos individuais.



Além disso, a pele de tubarão apresenta alta resistência à penetração devido à sua estrutura de quatro camadas, do esmalte à derme. Existem gradientes mecânicos em camadas duras e macias de fora para dentro da pele de tubarão.

Esta pele de tubarão única e funcional encontrada na natureza motiva este estudo, publicado em Advanced Materials , o primeiro a microfabricar microdentículos sobrepostos tridimensionais (3D) com microrribos pontiagudos. A pele de tubarão artificial 3D foi capaz de alcançar múltiplas funcionalidades, imitando as características morfológicas e materiais da pele de tubarão natural.

Muitos estudos anteriores foram conduzidos para desenvolver pele de tubarão artificial que imita a pele de tubarão natural com vantagens funcionais. No entanto, tem sido difícil formar uma morfologia sobreposta em 3D, mantendo a forma dos microrribos nos microdentículos. A deformação térmica indesejada continua a ser um problema para os microdentículos à base de polímeros dispostos periodicamente com espaçamentos estreitos.

Para resolver este problema, Wie e seus colegas fabricaram microdentículos com textura de nervuras usando um composto de partículas magnéticas e polímeros elastoméricos. Em seguida, os microdentículos 3D foram induzidos a dobrar até se sobreporem sob um campo magnético externo.

Embora seja um conceito interessante, há uma necessidade de corrigir a forma desta sobreposição magnética para funcionalizar a pele de tubarão sob a remoção do campo magnético. "Desenvolvemos recentemente uma estratégia química de fixação de forma para fabricar pele de tubarão sobreposta em 3D", disse Jeong Jae Wie, professor do Departamento de Engenharia Orgânica e Nano da Universidade de Hanyang.

"Os microdentículos precisam ser acionados na direção reversa para revestir uma fina camada de uma resina líquida de polímero na pele de tubarão. Depois de mudar a atuação na direção direta, uma fina camada de polímero é curada, completando a microfabricação de pele de tubarão artificial 3D com sobreposição magnética imobilizada ”, disse Jeong Eun Park, primeiro autor do estudo publicado.

“Um ponto único deste trabalho é a capacidade da pele artificial de tubarão em 3D de demonstrar múltiplas funcionalidades, enquanto outros estudos só conseguiram documentar uma ou duas características”, disse o colaborador de Wie, Seung Goo Lee, da Universidade de Ulsan.

A equipe de pesquisa mostrou pela primeira vez a redução do arrasto, uma funcionalidade representativa da pele natural de tubarão. A pele de tubarão artificial 3D com hidrofobicidade reduz o arrasto quando a água flui na direção frontal dos microrribos.

“Em nossa pele hidrofóbica de tubarão, bolhas de ar de tamanho micro ficam presas entre microdentículos sobrepostos, causando deslizamento da camada de água nas bolhas de ar”, acrescentou o colaborador de Wie, Rhokyun Kwak, da Universidade de Hanyang.

Além dessa funcionalidade de redução de arrasto, sua pele de tubarão artificial 3D apresenta baixo atrito ao arranhar a amostra na direção frontal e alta robustez mecânica com recuperação estrutural, devido à arquitetura de microdentículos sobrepostos escalonados.

"Curiosamente, essas funcionalidades poderiam ser melhoradas revestindo a pele de tubarão mecanicamente macia à base de polímero com uma fina camada em nanoescala de material mecanicamente frágil. Este conceito é motivado pela estrutura em camadas duras sobre macias da pele de tubarão natural", acrescentou Wie.

"Normalmente, o filme mecanicamente macio tem alto atrito superficial contra o contato com os obstáculos circundantes. No entanto, neste trabalho, o coeficiente de atrito diminui ao revestir a pele de tubarão com uma cerâmica fina porque características duras e flexíveis coexistem nesta pele de tubarão de três camadas, "explicou Wie's colaborador, Sanha Kim do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia.

Posteriormente, a equipe de Wie revestiu a pele de tubarão de três camadas com um metal fino. Num teste de indentação, a pele de tubarão com quatro camadas exibiu maior dureza e trabalho recuperável, quando comparada com a pele de tubarão polimérica não revestida. Especialmente no recurso de recuperação estrutural, “o trabalho recuperável pode ser armazenado nos microdentículos dobrados, enquanto as finas camadas de materiais mecanicamente frágeis podem aumentar a energia de deformação elástica da pele de tubarão artificial 3D”, acrescentou Kim.

Além disso, para aplicações eletrônicas microtexturizadas, quando a pele de tubarão à base de polímero é revestida com um material MXene eletricamente condutor, ela apresenta uma baixa resistência elétrica de 5,3 Ω.

"A pele de tubarão revestida com MXene permite o aquecimento joule com alta temperatura mesmo quando uma baixa voltagem é aplicada (por exemplo, 230°C a 2,75 V). Além disso, devido à hidrofilicidade do material MXene, as propriedades umectantes da pele de tubarão também mudam de hidrofóbica para hidrofílica ", disse o colaborador de Wie, Tae Hee Han, da Universidade Hanyang.

“Esta pesquisa é a primeira a relatar múltiplas funcionalidades demonstráveis ​​pela pele artificial de tubarão em 3D, com muitas aplicações potenciais em diversos campos”, disse Lee. Por exemplo, se a tecnologia desta pele de tubarão artificial multifuncional fosse utilizada na indústria naval, a eficiência económica poderia ser gerada através da redução do consumo de combustível e do aumento da vida útil do navio.

“Quanto a aplicações futuras, pode-se esperar que os navios com nossa pele de tubarão artificial 3D naveguem rapidamente com arrasto reduzido, menos atrito em contato com os obstáculos circundantes e menos danos causados ​​por impactos externos no oceano”, acrescentou Wie.

Mais informações: Jeong Eun Park et al, Programming Anisotropic Functionality of 3D Microdenticles by Staggered-Overlapped and Multilayered Microarchitectures, Materiais Avançados (2023). DOI:10.1002/adma.202309518
Informações do diário: Materiais Avançados

Fornecido pela Universidade Hanyang