Tudo Sobre O Material Mais Leve E 10 Vezes Mais Forte Que O Aço

Tudo Sobre O Material Mais Leve E 10 Vezes Mais Forte Que O Aço

Por Edezio Silva  

5% Da Densidade do Aço, Mas, 10 Vezes Mais Forte Que Ele

Como é possível que um material tenha 5% da densidade do aço e seja mais forte do que ele?

Até onde se saiba, somente os engenheiros do MIT podem responder a essa pergunta, pois eles próprios desenvolveram o tal material.

Comprimindo e fundindo flocos de grafeno, uma forma bidimensional de carbono, os pesquisadores do MIT desenvolveram o novo material cuja configuração estrutural é semelhante à de uma esponja de limpar pratos (Veja as imagens).

Desde o isolamento do grafeno em 2004, esse material tem despertado a atenção de cientistas, pesquisadores e da indústria em todo o mundo devido aos seguintes fatores:

  • Trata-se um material ultraleve ainda que seja extremamente resistente;
  • Embora seja 200 vezes mais forte do que o aço, é incrivelmente flexível;
  • Sendo um milhão de vezes mais fino que um fio de cabelo, o grafeno é o material mais fino possível, além de ser transparente;
  • É um excelente condutor e pode agir como uma barreira perfeita - nem mesmo o hélio pode passar por ela.

Grafeno: Um Material Bidimensional

O grafeno é constituído de uma estrutura hexagonal de átomos de carbono semelhante a um favo de mel.

Tem a espessura de um átomo, mas como absorve 2,3% de luz, pode ser visto à olho nu.

Na Universidade de Manchester a pesquisa com o grafeno está focada no desenvolvimento de materiais condutores, membranas, compósitos e revestimentos, além de produtos biomédicos, sensores e eletrônicos, todos, obviamente, ultraleves e finíssimos.

Espera-se que surjam de lá membranas de grafeno que poderiam ser usadas na tecnologia de purificação de água em países em desenvolvimento e em usinas de dessalinização mais eficientes.

Telefones celulares flexíveis, duráveis e semitransparentes podem ser, também, uma possibilidade com o grafeno. Além de roupas tecnológicas que se comunicam com os usuários e carros elétricos futurísticos.

A Batalha Para Transformar Um Material Bidimensional Em Uma Estrutura Com Três Dimensões

Em sua forma bidimensional o grafeno se assemelha a uma folha plana, mas pode ser indefinidamente grande em outras dimensões. Possui força excepcional, bem como propriedades elétricas únicas.

Embora apresente muitas características desejáveis, o grafeno, até então, só se apresentava em sua forma bidimensional, o que era um obstáculo ao desenvolvimento de materiais tridimensionais mais usáveis.

Esse obstáculo foi quebrado conforme relato dos pesquisadores à revista Science Advances, em um artigo de Markus Buehler, chefe do departamento de engenharia do MIT.

Além de Buehler integraram a pesquisa o professor de Engenharia Zhao Qin, cientista de pesquisa da Civil and Environmental Engineering (CEE) e o estudante de pós-graduação Gang Seob Jung.

Eles relataram que 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.

Essa declaração tem graves implicações pois sugere que materiais semelhantes, ou seja, fortes e leves, podem ser feitos de uma variedade de materiais, bastando que os mesmos sejam desenvolvidos com características geométricas parecidas com esse do MIT.

Diversos outros grupos de pesquisadores já haviam sugerido essas estruturas leves, porém, as experiências em laboratório falharam em apresentar algo concreto.

Os pesquisadores do MIT informaram que, para conseguir o novo material, tiveram que analisar o comportamento do grafeno em nível atômico, individual, dentro da estrutura. Com isso, eles foram capazes de produzir uma estrutura matemática que se aproximou muito das observações experimentais.

Calor e Pressão e Muitas Simulações Computacionais fizeram o Trabalho

Pequenos flocos de grafeno foram comprimidos usando uma combinação de calor e pressão. Desta maneira foi possível produzir uma estrutura forte e estável, cuja forma se assemelha à de alguns corais e criaturas microscópicas chamadas diatomáceas.

Essas formas, que têm uma enorme área superficial em proporção ao seu volume, revelaram-se extraordinariamente fortes.

"Uma vez criadas essas estruturas tridimensionais, queríamos ver qual é o limite - qual seria o material mais forte possível que poderíamos produzir", disse Qin. Para que isso fosse feito, eles criaram uma variedade de modelos 3-D e, em seguida, submeteram-nos 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 de nossas amostras apresentou 5% da densidade do aço, mas 10 vezes a força", diz Qin.

O pesquisador Markus Buehler informou que a estrutura bidimensional do grafeno se assemelharia a folhas de papel que são pouco resistentes ao longo de seu comprimento e largura e pode ser amassado com facilidade. Porém, quando enroladas em forma cilíndrica, adquirem força excepcional ao longo do comprimento.

Markus Beahler do MIT

A Geometria é o Fator Dominante

Conforme explicação de Markus Buehler o grafeno pode ser substituído por qualquer material, pois o fator dominante é a geometria da estrutura.

Essa nova configuração foi materializada a partir de uma impressora 3-D de alta resolução.

Em lugar do grafeno, pode ser usado um metal ou polímero, para que ao ganho da resistência, seja adicionada a redução de custo ou outra propriedade de material.

As possíveis Aplicações Para o Novo Material

A força dos materiais 2-D e o poder do design arquitetônico aliados podem revolucionar a engenharia. Veja algumas das aplicações possíveis do novo material:

  • Concreto para a superestrutura de uma ponte pode ser feito a partir de materiais com essa geometria porosa. Seria possível fornecer resistência equivalente às atuais estruturas, com, apenas, uma fracção do peso;
  • A geometria porosa do novo material poderia permitir sua utilização em sistemas de filtragem, quer para a água ou outro fluido;
  • Poderia ser possível fazer estruturas de grafeno 3-D mais leves do que o ar para ser usado em substituição ao hélio dos balões. Teríamos um material muito mais durável que o gás hélio o que ampliaria, em muito, a autonomia dos voos, nesses aparelhos. O trabalho atual mostra, no entanto, que em densidades tão baixas, o material não teria força suficiente e iria desmoronar a partir da pressão de ar circundante.

Fontes:

Imagens: Zhao Qin e Melanie Gonick/MIT http://news.mit.edu/2017/3-d-graphene-strongest-lightest-materials-0106  David L. Chandler | MIT News Office January 6, 2017 http://www.graphene.manchester.ac.uk/explore/what-can-graphene-do/ http://www.sciencealert.com/scientists-have-cooled-an-object-beyond-the-icy-limits-of-physics