Nanotecnologia - Madeira Metálica


Nanotecnologia - Asas de avião são feitos de titânio, que é tão forte quanto o aço, mas cerca de duas vezes mais leve.

Essas propriedades dependem da maneira como os átomos de um metal são empilhados, mas defeitos aleatórios que surgem no processo de fabricação significam que esses materiais são apenas uma fração tão forte quanto poderiam teoricamente ser. Um arquiteto, trabalhando na escala de átomos individuais, poderia projetar e construir novos materiais que tivessem proporções de força-peso ainda melhores.

Em um novo estudo publicado na Nature Scientific Reports , pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade da Pensilvânia, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign e da Universidade de Cambridge fizeram exatamente isso. Eles construíram uma folha de níquel com poros em nanoescala que a tornam tão forte quanto o titânio, mas quatro a cinco vezes mais leve.

O espaço vazio dos poros e o processo de automontagem em que são feitos tornam o metal poroso semelhante a um material natural, como a madeira.

E assim como a porosidade dos grãos de madeira serve à função biológica do transporte de energia, o espaço vazio na “madeira metálica” dos pesquisadores pode ser infundido com outros materiais. Infundir o andaime com materiais anódicos e catódicos permitiria que esta madeira metálica cumprisse uma função dupla: uma asa plana ou perna protética que também é uma bateria.

O estudo foi liderado por James Pikul , professor assistente do Departamento de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada da Penn Engineering. Bill King e Paul Braun, da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, juntamente com Vikram Deshpande, da Universidade de Cambridge, contribuíram para o estudo.

Mesmo os melhores metais naturais têm defeitos em seu arranjo atômico que limitam sua força. Um bloco de titânio, onde cada átomo estava perfeitamente alinhado com seus vizinhos, seria dez vezes mais forte do que o que pode ser produzido atualmente. Pesquisadores de materiais têm tentado explorar esse fenômeno adotando uma abordagem arquitetônica, projetando estruturas com o controle geométrico necessário para desvendar as propriedades mecânicas que surgem na nanoescala, onde os defeitos reduziram o impacto.

Pikul e seus colegas devem seu sucesso a uma sugestão do mundo natural.

"A razão pela qual nós chamamos de madeira metálica não é apenas sua densidade, que é sobre a madeira, mas sua natureza celular", diz Pikul. “Os materiais celulares são porosos; se você olhar para o grão de madeira, é isso que você está vendo - partes grossas e densas que são feitas para manter a estrutura, e partes que são porosas e feitas para suportar funções biológicas, como o transporte de e para as células ”.

"Nossa estrutura é semelhante", diz ele. “Temos áreas grossas e densas com fortes estruturas metálicas e áreas porosas com lacunas de ar. Estamos apenas operando nas escalas de comprimento, onde a força dos suportes se aproxima do máximo teórico ”.

Os suportes da madeira metálica dos pesquisadores têm cerca de 10 nanômetros de largura, ou cerca de 100 átomos de níquel. Outras abordagens envolvem o uso de técnicas de impressão 3D para fazer andaimes em nanoescala com precisão de cem nanômetros, mas o processo lento e penoso é difícil de dimensionar para tamanhos úteis.

“Sabemos que ficar menor o deixa mais forte por algum tempo”, diz Pikul, “mas as pessoas não conseguiram fazer essas estruturas com materiais fortes que são grandes o suficiente para que você pudesse fazer algo útil. A maioria dos exemplos feitos de materiais fortes tem o tamanho de uma pulga pequena, mas com a nossa abordagem, podemos fazer amostras de madeira metálica que são 400 vezes maiores ”.

Esferas plásticas empilhadas, brancas, fornecem uma estrutura para níquel, azul e são finalmente dissolvidas. Uma vez que haja uma rede aberta de níquel, outros revestimentos funcionais, amarelos, podem ser adicionados.

O método de Pikul começa com minúsculas esferas de plástico, com algumas centenas de nanômetros de diâmetro, suspensas em água. Quando a água é lentamente evaporada, as esferas se assentam e empilham como balas de canhão, fornecendo uma estrutura ordenada e cristalina. Usando a galvanoplastia, a mesma técnica que adiciona uma fina camada de cromo a uma calota, os pesquisadores então infiltram as esferas de plástico com níquel. Uma vez que o níquel está no lugar, as esferas de plástico são dissolvidas com um solvente, deixando uma rede aberta de suportes metálicos.

"Nós fizemos folhas desta madeira metálica que são da ordem de um centímetro quadrado, ou aproximadamente do tamanho de um lado de morrer de brincar", diz Pikul. "Para dar a você um senso de escala, existem cerca de 1 bilhão de estruturas de níquel em uma peça deste tamanho".

Folha de madeira metálica em um suporte de plástico.
Como aproximadamente 70% do material resultante é um espaço vazio, a densidade dessa madeira metálica baseada em níquel é extremamente baixa em relação à sua resistência. Com uma densidade igual à da água, um tijolo do material flutuaria.

Replicar este processo de produção em tamanhos comercialmente relevantes é o próximo desafio da equipe. Ao contrário do titânio, nenhum dos materiais envolvidos é particularmente raro ou caro por conta própria, mas a infraestrutura necessária para trabalhar com eles em nanoescala é atualmente limitada. Uma vez que essa infraestrutura é desenvolvida, as economias de escala devem produzir quantidades significativas de madeira metálica mais rápida e menos cara.

Uma vez que os pesquisadores possam produzir amostras de sua madeira metálica em tamanhos maiores, eles podem começar a submetê-la a mais testes de macroescala. Um melhor entendimento de suas propriedades de tração, por exemplo, é crítico.

"Não sabemos, por exemplo, se a nossa madeira metálica seria amassada como metal ou se estilhaçaria como vidro", diz Pikul. "Assim como os defeitos aleatórios no titânio limitam sua força total, precisamos entender melhor como os defeitos nos suportes da madeira metálica influenciam suas propriedades gerais."

Enquanto isso, Pikul e seus colegas estão explorando as maneiras pelas quais outros materiais podem ser integrados aos poros em seus andaimes de madeira metálica.

“A coisa interessante a longo prazo sobre este trabalho é que nós permitimos um material que tenha as mesmas propriedades de resistência de outros materiais super de alta resistência, mas agora ele tem 70% de espaço vazio”, diz Pikul. "E você poderia um dia preencher esse espaço com outras coisas, como organismos vivos ou materiais que armazenam energia."

Fonte: O Artigo Penn Engineer’s ‘Metallic Wood’ Has the Strength of Titanium and the Density of Water, Penn Engineering, medium.com

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Imagem

Folha de níquel com poros em nanoescala que a tornam tão forte quanto o titânio, mas quatro a cinco vezes mais leve.