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Inspirados no material que compõe as conchas de ostras e abalones, os engenheiros de Princeton criaram um novo composto de cimento que é 17 vezes mais resistente a fissuras do que o cimento padrão e 19 vezes mais capaz de esticar e deformar sem quebrar. As descobertas poderão eventualmente ajudar a aumentar a resistência à fissuração de uma ampla gama de materiais cerâmicos frágeis, do concreto à porcelana.
“Se pudermos projetar concreto para resistir à propagação de fissuras, poderemos torná-lo mais resistente, mais seguro e mais durável”, disse o pesquisador Shashank Gupta, estudante de graduação no laboratório de Reza Moini no Departamento de Engenharia Civil e Ambiental.
Em artigo publicado em 10 de junho na revista Materiais Funcionais Avançadosa equipe de pesquisa liderada por Moini, professor assistente de engenharia civil e ambiental, relatou que a criação de camadas alternadas de pasta de cimento tabulada e polímero fino pode aumentar significativamente a resistência à trinca e a capacidade de deformação sem quebrar completamente (ductilidade).
O laboratório de Moini frequentemente busca inspiração na biologia em seu trabalho com materiais de construção. Nesse caso, a equipe desenvolveu um compósito inspirado em um material natural chamado nácar, ou madrepérola, encontrado no interior de certas conchas. Gupta disse que, no nível microscópico, o nácar consiste em comprimidos hexagonais do mineral duro aragonita colados por um biopolímero macio.
Os comprimidos de aragonita contribuem significativamente para a resistência do nácar, enquanto o biopolímero acrescenta flexibilidade e resistência a rachaduras. O mecanismo de endurecimento envolve o deslizamento das pastilhas de aragonita sob tensão, o que, junto com outros mecanismos, permite que o nácar dissipe energia. Esta ação deslizante, combinada com a deflexão da fissura e a deformação do biopolímero, permite que o nácar suporte tensões mecânicas substanciais, mantendo a sua integridade estrutural, tornando-o forte e resiliente.
“Essa sinergia entre os componentes duros e moles é crucial para as notáveis propriedades mecânicas do nácar”, disse Gupta.
A equipe de Princeton desenvolveu compósitos inovadores inspirados no nácar, utilizando materiais de construção convencionais como pasta de cimento Portland combinados com uma quantidade limitada de polímero. Eles alternaram camadas de folhas de pasta de cimento com um polímero altamente elástico, o polivinil siloxano. Os pesquisadores criaram pequenas vigas multicamadas alternando folhas de pasta de cimento com finas camadas de polímero. Essas vigas foram então submetidas a um teste de flexão chanfrada de três pontos, onde cada viga foi testada sob flexão para avaliar a resistência à trinca (ou tenacidade à fratura).
No experimento, os pesquisadores produziram três tipos de vigas. O primeiro tipo consistia em camadas alternadas de folhas de pasta de cimento e polímero fino. Para o segundo tipo, usaram um laser para gravar ranhuras hexagonais nas folhas de pasta de cimento. Essas folhas ranhuradas foram então empilhadas com finas camadas de polímero entre elas. O terceiro tipo era semelhante ao terceiro, mas os pesquisadores cortaram completamente o cimento, criando comprimidos hexagonais separados conectados pela camada de polímero. Esses comprimidos de pasta de cimento ficam sobre a camada de polímero de forma semelhante à forma como a aragonita fica sobre a camada de biopolímero no nácar. Esses três tipos foram comparados com uma contraparte de pasta de cimento fundida sólida (monolítica) de referência.
Os experimentos revelaram que a ruptura das vigas de referência foi frágil – o que significa que as vigas quebraram repentina e completamente ao atingir seu ponto de ruptura, sem ductilidade. As vigas com camadas alternadas, ranhuradas e não ranhuradas, demonstraram maior ductilidade e resistência à fissuração.
Os resultados mais significativos foram observados nas vigas com pastilhas hexagonais completamente separadas, semelhantes ao nácar. Essas vigas exibiram 19 vezes mais ductilidade e 17 vezes mais tenacidade à fratura, mantendo quase a mesma resistência que a viga sólida de pasta de cimento.
“Nossa abordagem de inspiração biológica não é simplesmente imitar a microestrutura da natureza, mas aprender com os princípios subjacentes e usá-los para informar a engenharia de materiais feitos pelo homem. Um dos principais mecanismos que tornam resistente uma casca nacarada é o deslizamento do comprimido no nível nanométrico, aqui nos concentramos no mecanismo de deslizamento do comprimido, projetando a estrutura tabulada integrada da pasta de cimento em equilíbrio com as propriedades do polímero e a interface entre eles.” disse Moini. “Em outras palavras, projetamos intencionalmente defeitos nos materiais frágeis como uma forma de torná-los mais resistentes por design.”
Os pesquisadores observaram que as descobertas são baseadas em condições de laboratório e que seriam necessários trabalho e pesquisa adicionais para desenvolver as técnicas para uso em campo. Eles estão trabalhando para determinar se a resistência à fratura e a ductilidade das estruturas se aplicam a outros materiais cerâmicos além da pasta de cimento, como o concreto.
“Estamos apenas arranhando a superfície; haverá inúmeras possibilidades de projeto para explorar e projetar as propriedades constitutivas dos materiais duros e macios, as interfaces e os aspectos geométricos que influenciam os efeitos fundamentais do tamanho nos materiais de construção”, disse Moini.
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