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Inspirados pela arquitetura da camada externa resistente do osso humano, engenheiros de Princeton desenvolveram um material à base de cimento que é 5,6 vezes mais resistente a danos do que os equivalentes padrão. O design bioinspirado permite que o material resista a rachaduras e evite falhas repentinas, diferentemente dos equivalentes convencionais e quebradiços à base de cimento.
Em um artigo de 10 de setembro na revista Materiais Avançadosa equipe de pesquisa liderada por Reza Moini, professor assistente de engenharia civil e ambiental, e Shashank Gupta, candidato ao terceiro ano de doutorado, demonstra que a pasta de cimento implantada com uma arquitetura semelhante a um tubo pode aumentar significativamente a resistência à propagação de rachaduras e melhorar a capacidade de deformação sem falha repentina.
“Um dos desafios na engenharia de materiais de construção frágeis é que eles falham de forma abrupta e catastrófica”, disse Gupta.
Em materiais de construção frágeis usados em construção e infraestrutura civil, a resistência garante a capacidade de sustentar cargas, enquanto a tenacidade suporta a resistência a rachaduras e à propagação de danos na estrutura. A técnica proposta aborda esses problemas criando um material que é mais resistente do que as contrapartes convencionais, mantendo a resistência.
Moini disse que a chave para a melhoria está no design proposital da arquitetura interna, equilibrando as tensões na frente da fissura com a resposta mecânica geral.
“Usamos princípios teóricos da mecânica da fratura e da mecânica estatística para melhorar as propriedades fundamentais dos materiais ‘por projeto’”, disse ele.
A equipe foi inspirada pelo osso cortical humano, a densa casca externa dos fêmures humanos que fornece força e resiste à fratura. O osso cortical consiste em componentes tubulares elípticos conhecidos como osteons, fracamente incorporados em uma matriz orgânica. Essa arquitetura única desvia rachaduras ao redor dos osteons. Isso previne falhas abruptas e aumenta a resistência geral à propagação de rachaduras, disse Gupta.
O design bioinspirado da equipe incorpora tubos cilíndricos e elípticos dentro da pasta de cimento que interagem com rachaduras em propagação.
“Espera-se que o material se torne menos resistente a rachaduras quando tubos ocos são incorporados”, disse Moini. “Aprendemos que, aproveitando a geometria, o tamanho, o formato e a orientação do tubo, podemos promover a interação rachadura-tubo para melhorar uma propriedade sem sacrificar outra.”
A equipe descobriu que essa interação aprimorada entre a rachadura e o tubo inicia um mecanismo de endurecimento gradual, onde a rachadura é primeiro capturada pelo tubo e depois retardada na propagação, levando à dissipação de energia adicional em cada interação e etapa.
“O que torna esse mecanismo gradual único é que cada extensão de trinca é controlada, prevenindo falha catastrófica repentina”, disse Gupta. “Em vez de quebrar tudo de uma vez, o material resiste a danos progressivos, tornando-o muito mais resistente.”
Diferentemente dos métodos tradicionais que fortalecem materiais à base de cimento adicionando fibras ou plásticos, a abordagem da equipe de Princeton depende do design geométrico. Ao manipular a estrutura do próprio material, eles alcançam melhorias significativas na tenacidade sem a necessidade de material adicional.
Além de melhorar a tenacidade à fratura, os pesquisadores introduziram um novo método para quantificar o grau de desordem, uma quantidade importante para o design. Com base na mecânica estatística, a equipe introduziu parâmetros para quantificar o grau de desordem em materiais arquitetados. Isso permitiu que os pesquisadores criassem uma estrutura numérica refletindo o grau de desordem da arquitetura.
Os pesquisadores disseram que a nova estrutura fornece uma representação mais precisa dos arranjos do material, movendo-se em direção a um espectro de ordenado a aleatório, além das simples classificações binárias de periódico e não periódico. Moini disse que o estudo faz uma distinção com abordagens que confundem irregularidade e perturbação com desordem estatística, como os métodos de tesselação e perturbação de Voronoi.
“Essa abordagem nos dá uma ferramenta poderosa para descrever e projetar materiais com um grau de desordem personalizado”, disse Moini. “Usar métodos avançados de fabricação, como manufatura aditiva, pode promover ainda mais o design de estruturas mais desordenadas e mecanicamente favoráveis e permitir o aumento de escala desses designs tubulares para componentes de infraestrutura civil com concreto.”
A equipe de pesquisa também desenvolveu recentemente técnicas que permitem uma grande precisão usando robótica e manufatura aditiva. Ao aplicá-las a novas arquiteturas e combinações de materiais duros ou macios dentro dos tubos, eles esperam expandir ainda mais as possibilidades de aplicações em materiais de construção.
“Nós apenas começamos a explorar as possibilidades”, disse Gupta. “Há muitas variáveis a investigar, como aplicar o grau de desordem ao tamanho, forma e orientação dos tubos no material. Esses princípios podem ser aplicados a outros materiais frágeis para projetar estruturas mais resistentes a danos.”
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