Reza Moini e Shashank Gupta criaram materiais de construção mais fortes e duráveis, e agora estão trabalhando para torná-los compatíveis com a impressão 3D.
[Imagem: Sameer A. Khan/Fotobuddy]
Cimento bioinspirado
Inspirando-se na arquitetura da camada externa resistente dos ossos humanos, engenheiros desenvolveram um material à base de cimento que é 5,6 vezes mais resistente a danos do que os materiais usados hoje na construção civil.
O projeto biomimético permite que o cimento resista a rachaduras e evite falhas repentinas.
Nos materiais usados na construção civil e em infraestruturas em geral, a resistência garante a capacidade de sustentar cargas, enquanto a tenacidade oferece suporte à resistência a rachaduras e à propagação de danos na estrutura. A técnica biomimética otimiza as duas propriedades, que normalmente competem entre si.
A pasta de cimento tem uma consistência que permite sua aplicação definitiva por meio de um tubo, viabilizando um tipo de impressão 3D usado pela engenharia civil. Mas uma de suas grandes vantagens é a grande capacidade de deformação do material depois de curado, o que aumenta significativamente a resistência à propagação de fissuras e diminui o risco de falha catastrófica.
"Nós usamos princípios teóricos da mecânica da fratura e da mecânica estatística para melhorar as propriedades fundamentais dos materiais 'por projeto'," disse Reza Moini, da Universidade de Princeton, nos EUA.
A mesma equipe havia apresentado recentemente um cimento inspirado na madrepérola que é 19 vezes mais resistente que o cimento convencional.
A geometria dos ossos ajudou a otimizar a resistência das peças de cimento.
[Imagem:Shashank Gupta et al. - 10.1002/adma.202313904]
Geometria que aumenta resistência
Diferentemente dos métodos tradicionais, que fortalecem materiais à base de cimento adicionando fibras ou plásticos, a abordagem aqui se fundamenta no projeto geométrico. Ao manipular a estrutura do próprio material, foram obtidas melhorias significativas na tenacidade sem a necessidade de material adicional.
A inspiração veio do osso cortical, 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.
O projeto incorporou ainda tubos cilíndricos e elípticos dentro da pasta de cimento, que interagem com qualquer rachadura que comece a se propagar pelo material.
"A expectativa é que o material se torne menos resistente a rachaduras quando tubos ocos são incorporados," comentou Moini. "Aprendemos que, tirando proveito da geometria do tubo, do seu tamanho, do seu formato e da sua orientação, podemos promover a interação rachadura-tubo para melhorar uma propriedade sem sacrificar outra."
Essa interação entre a trinca e o tubo inicia um mecanismo de reação gradual, onde a trinca é primeiramente "capturada" pelo tubo, o que retarda sua propagação, levando à dissipação de energia adicional em cada interação. "O que torna esse mecanismo gradual único é que cada extensão de trinca é controlada, prevenindo a falha catastrófica repentina," disse o professor Shashank Gupta. "Em vez de quebrar tudo de uma vez, o material resiste a danos progressivamente, o que o torna muito mais resistente."
