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A GEOMETRIA DA NATUREZA QUE MUDA AS PROPRIEDADES FÍSICAS – NOVA FORMA 3D DO GRAFENO

A GEOMETRIA DA NATUREZA QUE MUDA AS PROPRIEDADES FÍSICAS – NOVA FORMA 3D DO GRAFENO

Edição Vol. 4, N. 6, 23 de Fevereiro de 2017

DOI: http://dx.doi.org/10.15729/nanocellnews.2017.02.23.003

Mais uma vez a ciência busca a sabedoria que há bilhões de anos a natureza nos apresenta, mas dificilmente a percebemos. Veja só, uma única alga microscópica não tem a estrutura necessária para suportar o peso de um caminhão, porém, uma colônia de algas diatomáceas forma uma estrutura super-rígida e que pode suportar todo aquele peso. É com base nessa estrutura giroide que os cientistas foram capazes de produzir grafeno 3D 10 vezes mais forte que o aço, porém 20 vezes mais leve que o mesmo! Ciência transformando a sociedade e gerando riquezas!

Uma equipe de pesquisadores do MIT, liderados pelo professor Dr. Markus Buehler, chefe do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental do MIT, projetou um dos mais fortes materiais leves conhecidos, comprimindo e fundindo flocos de grafeno, uma forma bidimensional do carbono. O novo material, uma configuração tipo esponja com uma densidade de apenas 5%, pode ter uma força 10 vezes superior do que a do aço (Figura 1).

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Figura 1: Engenheiros do MIT desenharam um dos materiais mais fortes e leves conhecidos. Esta ilustração mostra os resultados de simulação de testes de tração e compressão em grafeno 3-D. Uma equipe de engenheiros do MIT projetou com sucesso um novo material 3D com 5% da densidade de aço e dez vezes sua força, tornando-se um dos mais fortes materiais leves conhecidos. Fonte (1).

Em sua forma bidimensional, o grafeno é o mais forte de todos os materiais conhecidos. Mas os pesquisadores até agora tiveram dificuldade em traduzir essa força bidimensional em materiais tridimensionais úteis (1).

As novas descobertas mostram que o aspecto crucial das novas formas tridimensionais tem mais a ver com sua configuração geométrica incomum do que com o próprio material, o que sugere que materiais semelhantes fortes e leves podem ser feitos a partir de uma variedade de materiais pela criação de características geométricas similares (1).

Outros grupos haviam sugerido a possibilidade de tais estruturas leves, mas as experiências de laboratório até agora não conseguiram coincidir com as previsões, com alguns resultados exibindo menos força várias ordens de magnitude do que o esperado. A equipe do MIT decidiu resolver o mistério analisando o comportamento do material até o nível dos átomos individuais dentro da estrutura. Eles foram capazes de produzir um quadro matemático que se aproxima muito das observações experimentais (1).

Materiais bidimensionais – basicamente folhas planas que têm apenas um átomo de espessura, mas podem ser indefinidamente grandes nas outras dimensões – têm força excepcional, bem como propriedades elétricas únicas. Mas por causa de sua fineza extraordinária, eles não são muito úteis para se fazer materiais 3D que poderiam ser usados em veículos, edifícios ou dispositivos. O que o grupo de pesquisadores fizeram foi realizar o desejo de traduzir estes materiais 2-D em estruturas tridimensionais (1).

A equipe foi capaz de comprimir pequenos flocos de grafeno usando uma combinação de calor e pressão. Este processo produziu uma estrutura forte e estável, cuja forma se assemelha à de alguns corais e criaturas microscópicas chamadas diatomáceas. Estas formas, que têm uma enorme área superficial em proporção ao seu volume, revelaram-se extraordinariamente fortes. Uma vez criadas essas estruturas tridimensionais, o passo seguinte foi definir qual era seu limite – qual é o material mais forte possível que se podia produzir. Para fazer isso, eles criaram uma variedade de modelos 3-D e, em seguida, os submeteram a vários testes. Em simulações computacionais, que imitam as condições de carga nos testes de tração e compressão realizados em uma máquina de carga por tração, uma das amostras teve 5% de densidade da do aço, mas 10 vezes sua força (1).

O que acontece com o material de grafeno 3-D, que é composto de superfícies curvas sob deformação, se assemelha ao que aconteceria com folhas de papel. O papel tem pouca resistência ao longo de seu comprimento e largura, e pode ser facilmente amassado. Mas quando feito em certas formas, por exemplo, enrolado em um tubo, repentinamente a força ao longo do comprimento do tubo é muito maior e pode suportar peso substancial. De modo semelhante, a disposição geométrica dos flocos de grafeno após o tratamento forma naturalmente uma configuração muito forte (1).

As novas configurações foram feitas no laboratório usando uma impressora 3-D multimaterial de alta resolução. Elas foram testadas mecanicamente para suas propriedades de tração e compressão, e sua resposta mecânica sob carga foi simulada usando os modelos teóricos da equipe. Os resultados dos experimentos e simulações combinaram com precisão (1).

Os novos resultados mais acurados, baseados na modelagem computacional atomística da equipe do MIT, descartaram uma possibilidade proposta anteriormente por outras equipes: que seria possível fazer estruturas de grafeno 3-D tão leve que elas fossem realmente mais leves que o ar, e poderiam ser usadas como uma substituição durável para o hélio em balões. O trabalho atual mostra, no entanto, que em densidades tão baixas, o material não teria força suficiente e iria entrar em colapso a partir da pressão do ar circundante (1).

Mas muitas outras possíveis aplicações do material poderiam eventualmente ser viáveis para usos que exigem uma combinação de força extrema e peso leve. Você poderia usar o material de grafeno real ou usar a geometria descoberta com outros materiais, como polímeros ou metais, para obter vantagens semelhantes de força combinada com vantagens em custo, métodos de processamento ou outras propriedades de materiais (tais como transparência ou condutividade elétrica).

Você pode substituir o material em si por qualquer coisa. A geometria é o fator dominante. É algo que tem o potencial de transferir para muitas coisas.

As formas geométricas incomuns que o grafeno forma naturalmente sob o calor e pressão assemelham-se a algo como uma esfera de Nerf – redonda, mas cheia de furos. Essas formas, conhecidas como giroscópios, são tão complexas que produzi-las usando métodos de fabricação convencionais é provavelmente impossível. A equipe usou modelos 3-D impressos da estrutura, ampliada para milhares de vezes seu tamanho natural, para fins de teste.

Para a síntese real, os pesquisadores dizem, uma possibilidade é usar o polímero ou as partículas de metal como moldes, revesti-las com o grafeno pelo depósito químico a vapor antes dos tratamentos com calor e pressão e, então, quimicamente ou fisicamente remover as fases do polímero ou do metal para deixar o grafeno 3-D na forma giroide (Figura 2). Para isso, o modelo computacional dado no presente estudo fornece uma diretriz para avaliar a qualidade mecânica de síntese da saída.

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Figura 2: Formas giroides construídas usando grafeno 3D. Essas formas se assemelham às esferas de Nerf – redonda, mas cheia de furos e são semelhantes às estruturas de algas microscópicas cujos esqueletos de carbonato de cálcio, quando estão em colônia, formam estruturas semelhantes às construídas pelos cientistas. Na verdade, é a ciência copiando a natureza.

A mesma geometria poderia até mesmo ser aplicada a materiais estruturais de grande escala. Por exemplo, o concreto para uma estrutura tal como uma ponte pode ser feito com esta geometria porosa, proporcionando força comparável com uma fração do peso. Esta abordagem teria o benefício adicional de proporcionar um bom isolamento devido à grande quantidade de espaço aéreo fechado dentro dele, além do custo ser menor devido a menor quantidade de material utilizado. Assim, aquelas obras superfaturadas com desculpas de que faltou concreto, não existiriam mais… em tese.

Como a forma é crivada com espaços de poros muito pequenos, o material também pode encontrar aplicação em alguns sistemas de filtragem, quer para o processamento da água ou de produtos químicos, como em tinturarias. Um cientista brasileiro, vencedor do Prêmio Cientista do Ano Instituto Nanocell em Nanotecnologia, prof. Oswaldo Alves, já utiliza de uma matéria prima semelhante, embora o material químico seja diferente, sua estrutura se assemelha a esta produzida. As descrições matemáticas derivadas por este grupo poderiam facilitar o desenvolvimento de uma variedade de aplicações.

Este é um estudo inspirador sobre a mecânica do arranjo 3-D do grafeno. A combinação de modelagem computacional com experimentos baseados em impressão em 3-D usada neste trabalho é uma nova abordagem poderosa em pesquisa de engenharia. É impressionante ver as leis de escala inicialmente derivadas de simulações em nanoescala ressurgir em experimentos macroscópicos com a ajuda da impressão 3-D.

Este trabalho, mostra uma direção promissora de trazer a força de materiais 2-D e o poder do projeto de arquitetura de materiais trabalhando juntos.

Fonte: David L. Chandler, MIT News

Referência

1.Qin Z, Jung GS, Kang MJ, Buehler MJ. The mechanics and design of a lightweight three-dimensional graphene assembly. Science advances. 2017;3(1):e1601536.

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