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Materiais ultraleves podem se fabricar sozinhos

Inovação Tecnológica - 12 de abril de 2021 688 Visualizações
Materiais ultraleves podem se fabricar sozinhos

O material se assemelha às espumas metálicas, mas suas barras treliçadas lhe deram uma maior resistência e flexibilidade.
[Imagem: Shan Shi et al. - 10.1126/science.abd9391]

Materiais hierárquicos
O mais leve e o mais forte possível - ao mesmo tempo.

Estes são os requisitos para os mais modernos materiais para serem usados na construção de aviões e carros elétricos, já sobrecarregados com suas baterias pesadas demais.

Shan Shi e seus colegas do Instituto de Materiais Mecânicos, na Alemanha, estão apostando em rejuvenescer uma ideia antiga: a construção de estruturas usando barras de metal que formam redes aninhadas em níveis hierárquicos - a Torre Eiffel foi construída assim.

A diferença é que, em lugar de barras metálicas que chegam em caminhões, Shi está usando barras metálicas em nanoescala.

E "hierárquico", neste caso, é a abordagem de engenharia que usa uma série aberta de vigas maiores reforçadas por vigas menores.

Há anos, os pesquisadores da ciência dos materiais têm tentado transferir essa abordagem muito eficiente para a microestrutura interna dos materiais, por exemplo, usando impressoras 3D, que podem replicar estruturas de treliça em uma escala de micrômetros.

Mas nem tudo tem saído como previsto. "Uma impressora 3D só consegue imprimir um máximo de cerca de dez mil barras, e isso levará horas," explica o professor Jorg Weibmuller. "Para aplicações práticas, isso não é realmente uma opção viável."

Auto-organização
A equipe então se voltou para um "truque" da natureza: a auto-organização, o fenômeno pelo qual partículas encontram de alguma forma sua própria posição em uma estrutura maior e organizada.

Para começar, a equipe usou uma liga de 93% de prata e 7% de ouro, que foi mergulhada em ácido sulfúrico diluído, dissolvendo aproximadamente metade da prata. Como resultado, o material restante se reorganiza, formando uma delicada rede de barras em nanoescala.

Posteriormente, o material passa por um tratamento térmico a várias centenas de graus. "Isso torna a rede mais grossa para um tamanho de vigas de 150 nanômetros, mantendo a arquitetura original," explicou Shi.

Durante a última etapa, o ácido entra em ação novamente, sendo usado para lixiviar o resto da prata, deixando apenas vigas de ouro com poros de 15 nanômetros em média.

Materiais ultraleves podem se fabricar sozinhos
Não dá para ficar construindo coisas muito grandes de ouro, mas a resistência do material treliçado é muito superior à do metal puro.
[Imagem: Shan Shi et al. - 10.1126/science.abd9391]

Forte e de baixa densidade
O resultado é um material estruturado hierarquicamente, com vigas de dois tamanhos diferentes - não muito diferente da Torre Eiffel, segundo a equipe.

Graças à sua estrutura de rede aberta, esse novo material consiste em 80 a 90% de ar, o que lhe dá uma densidade de apenas 10 a 20% do metal sólido.

É claro que o ouro é caro demais para a larga maioria das aplicações. Contudo, com o processo desenvolvido, a equipe já está agora trabalhando com metais industriais, como o alumínio, o magnésio e o titânio.

"Mas parece totalmente viável fazer fios ou até folhas inteiras de metal com nosso processo," espera Weibmuller. "Nesse ponto, o material se tornará interessante em cenários da vida real, por exemplo, em novos conceitos de veículos mais leves e, portanto, mais eficientes em termos energéticos."

Bibliografia:
Artigo: Scaling Behavior of Stiffness and Strength of Hierarchical Network Nanomaterials
Autores: Shan Shi, Yong Li, Bao-Nam Ngo-Dinh, Jürgen Markmann, Jörg Weissmüller
Revista: Science
Vol.: 371, Issue 6533, pp. 1026-1033
DOI: 10.1126/science.abd9391