Cientistas do MIT acabam de criar o material mais forte já conhecido, dez vezes mais forte do que o aço, e também levíssimo (com uma densidade de apenas 4,6% em relação ao aço).

Fabricar materiais porosos sólidos, fortes o suficiente para aplicações em condições extremas, e que são mais leves do que o ar, foi possível apenas usando uma nova configuração geométrica: comprimindo e fundindo flocos de grafeno – uma forma bidimensional do carbono.

Em sua forma bidimensional, o grafeno é o mais forte de todos os materiais conhecidos. Porém, os pesquisadores tinham dificuldade em traduzir essa força bidimensional para materiais tridimensionais.

Os pesquisadores então descobriram que não é o material em si, e sim a configuração geométrica 3D.

Essa descoberta sugere que materiais semelhantes, fortes e leves (além do grafeno) poderiam ser criados a partir de uma variedade de materiais, replicando características geométricas semelhantes.

“Você pode substituir o material em si por qualquer coisa”, afirma Markus Buehler, chefe do Departamento de Engenharia Civil e Ambiental (CEE) do MIT e professor de Engenharia da McAfee.

A geometria é o fator dominante. É algo que tem o potencial para replicarmos para muitas outras coisas.” – Markus Buehler

Os resultados foram relatados em 06 de Janeiro na revista Science Advances.

A ilustração acima mostra os resultados da simulação dos testes de compressão (superior esquerda e i) e de tração (inferior esquerda e ii) no grafeno 3D (crédito: Zhao Qin)

Analisando o comportamento do material até chegar ao nível dos átomos individuais, os engenheiros conseguiram produzir uma estrutura matemática que se aproxima muito das observações experimentais.

Materiais bidimensionais – basicamente folhas planas que têm apenas um átomo de espessura, mas que podem ser indefinidamente grandes em outras dimensões – têm força excepcional e também propriedades elétricas únicas.

No entanto, por causa de sua espessura finíssima, estes materiais bidimensionais não são servem muito para criar materiais 3D que poderiam ser usados ​​em veículos, edifícios ou dispositivos”, diz Buehler. O que os pesquisadores fizeram foi traduzir estes materiais 2-D em estruturas tridimensionais.

Calor + pressão

A solução que eles encontraram para comprimir pequenos flocos de grafeno foi a 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 novas formas, que têm uma enorme superfície em proporção ao seu volume, revelaram-se extraordinariamente fortes.

Buehler diz que o processo se assemelha ao que aconteceria com as folhas de papel. O papel tem pouca resistência ao longo de seu comprimento e largura, e pode ser facilmente amassado. Mas, quando você cria certas formas, por exemplo, enrolá-lo em um tubo, de repente a força ao longo do comprimento do tubo é muito maior e pode suportar um peso substancial. De modo semelhante, a disposição geométrica dos flocos de grafeno, após a nova configuração, torna-se naturalmente muito forte.

Outras aplicações

Diversas outras possíveis aplicações desse material poderiam ser viáveis, dizem os pesquisadores, para usos que exigem uma combinação de força extrema e leveza.

“Você poderia usar o material de grafeno real ou usar a geometria que descobrimos com outros materiais, como polímeros ou metais”, diz Buehler, para obter vantagens semelhantes de força combinada com vantagens em custo, métodos de processamento ou outras propriedades de materiais (como Transparência ou condutividade elétrica).

As formas geométricas incomuns que o grafeno forma naturalmente sob o calor e a pressão parecem a uma esfera de Nerf – redonda, mas cheia dos furos. Essas formas, conhecidas como “giroides“, são tão complexas que seria impossível criá-las usando métodos convencionais de fabricação, diz Buehler.

A mesma geometria poderia ser aplicada em larga escala a materiais estruturais, sugerem os pesquisadores. Por exemplo, o concreto usado para a estrutura de uma ponte pode ser feito com esta geometria porosa, proporcionando força extrema a uma fração do peso. E ainda haveria o benefício adicional de um bom isolamento devido à grande quantidade de poros (espaços vazios) dentro dele.

Em virtude da forma ser crivada com poros muito pequenos, o material também pode encontrar aplicação em sistemas de filtragem para a água ou para processamento químico. Há uma variedade de aplicações, dizem os pesquisadores.

Fonte: Science Advances – Via Cosmetic Innovation