Continuando com os novos materiais que estão sendo desenvolvidos, hoje temos duas notícias muito interessantes, vindas da NASA e de dentro da sua boca (!).
NASA fabrica fibras de um dos materiais mais duros do mundo
Imagine um material virtualmente tão duro quanto o diamante, só que mais resistente a altas temperaturas, e que esteja disponível na forma de fios flexíveis, que possam ser tecidos na forma de roupas para proteção, para revestir naves espaciais ou para recobrir qualquer peça, em qualquer formato.
Essa possibilidade acaba de ser demonstrada, com o desenvolvimento de uma técnica que permite fiar um dos materiais mais duros disponíveis atualmente.
Nitreto de boro
Procure por materiais duros, daqueles que se aproximam da dureza do diamante, e certamente você encontrará o boro entre eles. Mais especificamente, o nitreto de boro.
O nitreto de boro é um composto onde boro e nitrogênio se unem somente por ligações covalentes. Ele não conduz eletricidade, mas conduz calor tão bem quanto os metais. É um pouco menos duro do que o diamante, mas mais estável, mantendo a dureza até 2.000 ºC, enquanto o diamante desfaz-se em grafite a cerca de 900 ºC.
Fios ultraduros
O nitreto de boro, ao ser sintetizado, tem a forma de um pó branco, que pode ser usado para fabricar cerâmicas extremamente duras, com várias aplicações industriais.
Materiais ultraduros são importantes para fabricação e revestimento de ferramentas, como proteção em escudos e roupas à prova de balas, no revestimento de peças industriais sujeitas a forte abrasão, como protetores contra radiação e contra o choque de micrometeoritos no espaço, apenas para citar algumas aplicações.
Agora, imagine dispor desse mesmo material, com as mesmas propriedades, na forma de fios. Fios podem ser tecidos nos mais diversos formatos e com total flexibilidade. Eles podem ser incorporados em resinas para formar peças complexas. Enfim, as aplicações industriais são incontáveis.
Nanotubos de nitreto de boro
Foi justamente isso o que conseguiram cientistas de vários laboratórios, trabalhando sob a coordenação do Centro de Pesquisas Langley, da NASA.
Os cientistas desenvolveram uma técnica para sintetizar nanotubos de nitreto de boro de alta qualidade. Os nanotubos são altamente cristalinos, sem impurezas, extremamente finos e muito resistentes.
"Eles são grandes e macios, parecidos com tecido," explica Kevin Jordan, um dos responsáveis pela pesquisa. "Isto significa que você pode usar as técnicas comuns de tecelagem para uni-los em fibras e tecidos, para fabricar coisas como coletes à prova de balas e células solares."
Embora sejam nanotubos, eles são grandes o suficiente para serem tecidos em fibras macroscópicas. Neste primeiro experimento, os cientistas produziram fibras de alguns centímetros de comprimento e 1 milímetro de diâmetro.
Método vapor/condensador pressurizado
Para fabricar os nanotubos de nitreto de boro, os cientistas dispararam um feixe de laser sobre uma amostra de boro no interior de uma câmara de pressão cheia de nitrogênio. O laser vaporiza o alvo, formando uma nuvem de gás de boro.
Um condensador, um fio de metal resfriado, é inserido no meio da nuvem de boro, resfriando-o e causando a formação de gotas. Essas gotas combinam-se com o nitrogênio e formam os nanotubos de nitreto de boro espontaneamente, sem necessidade de nenhuma manipulação adicional.
A técnica de fabricação foi chamada de método vapor/condensador pressurizado (PVC - pressurized Vapor/Condenser).
Estudos práticos
Os pesquisadores afirmam que o próximo passo será testar as propriedades das fibras de nitreto de boro para determinar os melhores usos potenciais para o novo material. Eles também estão trabalhando para otimizar o processo de produção e aumentar a quantidade produzida em cada lote.
"A teoria nos garante que esses nanotubos de nitreto de boro têm aplicações no campo da energia, das aplicações biomédicas e, obviamente, aplicações aeroespaciais," disse Jordan.
Como somente agora começarão as pesquisas voltadas às aplicações práticas, é normal que algumas dessas possibilidades sejam descartadas conforme o material seja mais conhecido. Mas outras possam surgir.
"Algumas aplicações valerão a pena o esforço, outras não," afirma Mike Smith. "Mas nós não saberemos disso até que possamos colocar o material em boas quantidades nas mãos de outros pesquisadores."
Esmalte dos dentes inspira novos materiais para indústria aeroespacial
Parte mais dura do corpo humano
Você já deve ter ouvido falar que o esmalte dos dentes é a parte mais dura do corpo humano. Contudo, do ponto de vista da sua composição, o esmalte é uma espécie de cerâmica mineral que não é mais dura do que um vidro comum.
Se o segredo da sua resistência estivesse unicamente na sua composição mineral, não seria necessário morder uma castanha para que o esmalte se quebrasse inteiramente.
Mas isto não acontece e a razão pela qual o dente suporta quantidades gigantescas de pressão tem sido um mistério para os cientistas.
Estrutura dos dentes
Agora, um grupo internacional de pesquisadores utilizou ferramentas sofisticadas de imageamento e testes exaustivos com dentes extraídos de pacientes para tentar desvendar a estrutura cristalográfica do esmalte dos dentes - a forma como suas moléculas se organizam para suportar enormes pressões, em busca de uma resposta para esse mistério. E a busca parece ter sido frutífera.
A resposta está na estrutura altamente sofisticada dos dentes, que é a responsável por mantê-los íntegros. "Os dentes são feitos de um material compósito extremamente sofisticado que reage de forma extraordinária quando submetido a fortes pressões," explica o professor Herzl Chai, principal autor do estudo.
Fibras sintéticas
Uma curiosidade é que o professor Chai não é dentista - ele é engenheiro aeronáutico. E ele tampouco começou a pesquisar o esmalte dos dentes por acaso - seu interesse está no desenvolvimento de materiais que sejam mais leves e mais resistentes, superiores aos compósitos e fibras de carbono atualmente utilizados nos aviões mais modernos.
A indústria aeroespacial e automotiva usa materiais sofisticados para suportar grandes pressões e evitar que as peças se quebrem sob impacto. Por exemplo, os aviões mais modernos estão sendo fabricados com materiais compósitos formados pela justaposição de camadas de fibras de vidro e fibras de carbono, coladas por uma resina.
Apesar do apelo high-tech desses aviões e da estrutura dos carros de Fórmula 1, esses materiais de última geração não se comparam com o esmalte dos nossos dentes quando o assunto é a resistência. Mas os resultados da pesquisa do grupo do professor Chai poderão ajudar a diminuir a distância que os separa.
Tecido em forma de onda
Nos dentes, as "fibras" não são dispostas na forma de uma rede, como nos compósitos de fibra de carbono - elas são tecidas na forma de ondas. Há hierarquias de fibras e matrizes arranjadas em diversas camadas, ao contrário das camadas de espessura fixa dos compósitos usados nos carros e nos aviões.
Quando é submetida à pressão mecânica, essa arquitetura ondulada não oferece um caminho óbvio para que o estresse se espalhe, o que resultaria na sua quebra imediata naquela direção. Em vez disso, o estresse se espalha de forma mais ou menos aleatória, criando microfissuras que absorvem a pressão em conjunto, evitando rachaduras maiores e quebras.
Os pesquisadores afirmam que, ao desvendar essa estrutura, assim como entender o seu funcionamento, eles agora terão condições de projetar materiais sintéticos muito mais resistentes do que os atuais, incluindo compósitos para uso aeronáutico, que serão mais resistentes e poderão ainda mais leves do que os atuais.
Autocicatrizante
O dente tem uma vantagem adicional difícil de equiparar: ele é capaz de se recuperar das microfissuras. Mas os engenheiros estão trabalhando também nesse caminho - outras pesquisas já demonstraram que é possível incluir a autocicatrização até em metais.
Embora a criação de carros e aviões autocicatrizantes seja um objetivo distante no futuro, esta pesquisa permitirá que os engenheiros comecem já a desenvolver materiais significativamente mais resistentes do que os atuais, ainda que não tão duráveis quanto o esmalte dos nossos dentes.
NASA fabrica fibras de um dos materiais mais duros do mundo
Imagine um material virtualmente tão duro quanto o diamante, só que mais resistente a altas temperaturas, e que esteja disponível na forma de fios flexíveis, que possam ser tecidos na forma de roupas para proteção, para revestir naves espaciais ou para recobrir qualquer peça, em qualquer formato.
Essa possibilidade acaba de ser demonstrada, com o desenvolvimento de uma técnica que permite fiar um dos materiais mais duros disponíveis atualmente.
Nitreto de boro
Procure por materiais duros, daqueles que se aproximam da dureza do diamante, e certamente você encontrará o boro entre eles. Mais especificamente, o nitreto de boro.
O nitreto de boro é um composto onde boro e nitrogênio se unem somente por ligações covalentes. Ele não conduz eletricidade, mas conduz calor tão bem quanto os metais. É um pouco menos duro do que o diamante, mas mais estável, mantendo a dureza até 2.000 ºC, enquanto o diamante desfaz-se em grafite a cerca de 900 ºC.
Fios ultraduros
O nitreto de boro, ao ser sintetizado, tem a forma de um pó branco, que pode ser usado para fabricar cerâmicas extremamente duras, com várias aplicações industriais.
Materiais ultraduros são importantes para fabricação e revestimento de ferramentas, como proteção em escudos e roupas à prova de balas, no revestimento de peças industriais sujeitas a forte abrasão, como protetores contra radiação e contra o choque de micrometeoritos no espaço, apenas para citar algumas aplicações.
Agora, imagine dispor desse mesmo material, com as mesmas propriedades, na forma de fios. Fios podem ser tecidos nos mais diversos formatos e com total flexibilidade. Eles podem ser incorporados em resinas para formar peças complexas. Enfim, as aplicações industriais são incontáveis.
Nanotubos de nitreto de boro
Foi justamente isso o que conseguiram cientistas de vários laboratórios, trabalhando sob a coordenação do Centro de Pesquisas Langley, da NASA.
Os cientistas desenvolveram uma técnica para sintetizar nanotubos de nitreto de boro de alta qualidade. Os nanotubos são altamente cristalinos, sem impurezas, extremamente finos e muito resistentes.
"Eles são grandes e macios, parecidos com tecido," explica Kevin Jordan, um dos responsáveis pela pesquisa. "Isto significa que você pode usar as técnicas comuns de tecelagem para uni-los em fibras e tecidos, para fabricar coisas como coletes à prova de balas e células solares."
Embora sejam nanotubos, eles são grandes o suficiente para serem tecidos em fibras macroscópicas. Neste primeiro experimento, os cientistas produziram fibras de alguns centímetros de comprimento e 1 milímetro de diâmetro.
Método vapor/condensador pressurizado
Para fabricar os nanotubos de nitreto de boro, os cientistas dispararam um feixe de laser sobre uma amostra de boro no interior de uma câmara de pressão cheia de nitrogênio. O laser vaporiza o alvo, formando uma nuvem de gás de boro.
Um condensador, um fio de metal resfriado, é inserido no meio da nuvem de boro, resfriando-o e causando a formação de gotas. Essas gotas combinam-se com o nitrogênio e formam os nanotubos de nitreto de boro espontaneamente, sem necessidade de nenhuma manipulação adicional.
A técnica de fabricação foi chamada de método vapor/condensador pressurizado (PVC - pressurized Vapor/Condenser).
Estudos práticos
Os pesquisadores afirmam que o próximo passo será testar as propriedades das fibras de nitreto de boro para determinar os melhores usos potenciais para o novo material. Eles também estão trabalhando para otimizar o processo de produção e aumentar a quantidade produzida em cada lote.
"A teoria nos garante que esses nanotubos de nitreto de boro têm aplicações no campo da energia, das aplicações biomédicas e, obviamente, aplicações aeroespaciais," disse Jordan.
Como somente agora começarão as pesquisas voltadas às aplicações práticas, é normal que algumas dessas possibilidades sejam descartadas conforme o material seja mais conhecido. Mas outras possam surgir.
"Algumas aplicações valerão a pena o esforço, outras não," afirma Mike Smith. "Mas nós não saberemos disso até que possamos colocar o material em boas quantidades nas mãos de outros pesquisadores."
Esmalte dos dentes inspira novos materiais para indústria aeroespacial
Parte mais dura do corpo humano
Você já deve ter ouvido falar que o esmalte dos dentes é a parte mais dura do corpo humano. Contudo, do ponto de vista da sua composição, o esmalte é uma espécie de cerâmica mineral que não é mais dura do que um vidro comum.
Se o segredo da sua resistência estivesse unicamente na sua composição mineral, não seria necessário morder uma castanha para que o esmalte se quebrasse inteiramente.
Mas isto não acontece e a razão pela qual o dente suporta quantidades gigantescas de pressão tem sido um mistério para os cientistas.
Estrutura dos dentes
Agora, um grupo internacional de pesquisadores utilizou ferramentas sofisticadas de imageamento e testes exaustivos com dentes extraídos de pacientes para tentar desvendar a estrutura cristalográfica do esmalte dos dentes - a forma como suas moléculas se organizam para suportar enormes pressões, em busca de uma resposta para esse mistério. E a busca parece ter sido frutífera.
A resposta está na estrutura altamente sofisticada dos dentes, que é a responsável por mantê-los íntegros. "Os dentes são feitos de um material compósito extremamente sofisticado que reage de forma extraordinária quando submetido a fortes pressões," explica o professor Herzl Chai, principal autor do estudo.
Fibras sintéticas
Uma curiosidade é que o professor Chai não é dentista - ele é engenheiro aeronáutico. E ele tampouco começou a pesquisar o esmalte dos dentes por acaso - seu interesse está no desenvolvimento de materiais que sejam mais leves e mais resistentes, superiores aos compósitos e fibras de carbono atualmente utilizados nos aviões mais modernos.
A indústria aeroespacial e automotiva usa materiais sofisticados para suportar grandes pressões e evitar que as peças se quebrem sob impacto. Por exemplo, os aviões mais modernos estão sendo fabricados com materiais compósitos formados pela justaposição de camadas de fibras de vidro e fibras de carbono, coladas por uma resina.
Apesar do apelo high-tech desses aviões e da estrutura dos carros de Fórmula 1, esses materiais de última geração não se comparam com o esmalte dos nossos dentes quando o assunto é a resistência. Mas os resultados da pesquisa do grupo do professor Chai poderão ajudar a diminuir a distância que os separa.
Tecido em forma de onda
Nos dentes, as "fibras" não são dispostas na forma de uma rede, como nos compósitos de fibra de carbono - elas são tecidas na forma de ondas. Há hierarquias de fibras e matrizes arranjadas em diversas camadas, ao contrário das camadas de espessura fixa dos compósitos usados nos carros e nos aviões.
Quando é submetida à pressão mecânica, essa arquitetura ondulada não oferece um caminho óbvio para que o estresse se espalhe, o que resultaria na sua quebra imediata naquela direção. Em vez disso, o estresse se espalha de forma mais ou menos aleatória, criando microfissuras que absorvem a pressão em conjunto, evitando rachaduras maiores e quebras.
Os pesquisadores afirmam que, ao desvendar essa estrutura, assim como entender o seu funcionamento, eles agora terão condições de projetar materiais sintéticos muito mais resistentes do que os atuais, incluindo compósitos para uso aeronáutico, que serão mais resistentes e poderão ainda mais leves do que os atuais.
Autocicatrizante
O dente tem uma vantagem adicional difícil de equiparar: ele é capaz de se recuperar das microfissuras. Mas os engenheiros estão trabalhando também nesse caminho - outras pesquisas já demonstraram que é possível incluir a autocicatrização até em metais.
Embora a criação de carros e aviões autocicatrizantes seja um objetivo distante no futuro, esta pesquisa permitirá que os engenheiros comecem já a desenvolver materiais significativamente mais resistentes do que os atuais, ainda que não tão duráveis quanto o esmalte dos nossos dentes.
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