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Entender como materiais macios falham sob estresse é essencial para resolver desafios de engenharia tão díspares quanto tecnologia farmacêutica e prevenção de deslizamentos de terra. Um novo estudo que vincula um espectro de comportamentos de materiais macios — antes considerados não relacionados — levou pesquisadores a identificar um novo parâmetro que eles chamam de fator de fragilidade, que permite simplificar o comportamento de falha de materiais macios. Isso ajudará, em última análise, os engenheiros a projetar melhores materiais que atendam aos desafios futuros.
O professor de engenharia química e biomolecular da University of Illinois Urbana-Champaign, Simon Rogers, e o aluno de pós-graduação Krutarth Kamani são especialistas em determinar como materiais macios cedem ao estresse e mostraram como estados físicos sólidos e líquidos podem existir juntos no mesmo material. Esta área é de alto interesse devido à sua importância para aplicações industriais, ambientais e biomédicas.
Ao longo do caminho, a equipe identificou uma falha de comunicação entre os cientistas que trabalham nessa área, causando um gargalo entre a compreensão teórica do comportamento do material macio e as aplicações no mundo real.
Quando materiais macios — naturais ou sintéticos — se deformam sob pressão, eles eventualmente atingem um ponto crítico onde retornam à sua forma original ou sofrem deformação permanente, como esticar ou quebrar um pedaço de elástico. Esse processo é conhecido como escoamento. Uma transição gradual de escoamento é denominada comportamento dúctil, enquanto uma abrupta é chamada de comportamento quebradiço, disseram os pesquisadores.
“Em uma conferência recente, percebemos que todos nós que estudamos materiais macios de toda a Europa e América do Norte não conseguíamos concordar sobre qual é a conexão entre comportamento frágil e dúctil, nem como defini-lo.”
No estudo, publicado na Anais da Academia Nacional de Ciências, em vez de ver o comportamento do material macio como um ou outro — quebradiço ou dúctil — a equipe de Rogers considera um espectro de comportamentos de escoamento. Isso permitiu que a equipe construísse um modelo contínuo, o que os levou a descobrir o fator de fragilidade. Esse fator é crítico para determinar como e por que os materiais macios falham.
Essencialmente, a fragilidade afeta como um material se deforma permanentemente sob estresse. O modelo da equipe indica que quanto maior o fator de fragilidade, menos um material macio se deformará permanentemente antes de ceder.
Assim como nos estudos anteriores da equipe, o modelo foi desenvolvido e testado usando dados de vários experimentos que submeteram vários materiais macios ao estresse enquanto mediam as respostas de deformação individuais usando um dispositivo chamado reômetro.
“Não esperávamos que este estudo explicasse tanto quanto explica”, disse Rogers, que também é afiliado do Instituto Beckman de Ciência e Tecnologia Avançada da Universidade de Illinois. “O que acabamos conseguindo foi uma maneira de reunir um monte de comportamentos de materiais moles sob o mesmo guarda-chuva da física. Anteriormente, eles eram estudados de forma independente ou talvez todos fossem aplicados simultaneamente, mas nunca pensados como sendo física ou matematicamente conectados.”
Essa descoberta permitirá que os pesquisadores expliquem precisamente por que alguns materiais são mais resistentes ao escoamento rápido do que outros, uma questão que tem iludido os pesquisadores há décadas.
“Esse único parâmetro conecta surpreendentemente muitas observações intrigantes que os pesquisadores encontraram ao longo dos anos”, disse Kamani.
“Este trabalho marca o ponto em que estamos nos aproximando do cume da colina na compreensão do comportamento de materiais macios”, disse Rogers. “Sempre sentimos que cada passo nos leva mais alto, mas sem fim à vista. Agora podemos ver o topo da colina, e estamos mais perto do topo e livres para seguir em frente em qualquer direção que quisermos.”
A National Science Foundation apoiou esta pesquisa.
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