Nano materiais produzidos por encomenda para serem mais resistente e leves

Modelos tridimensionais ocos com tecidas treliças de nitreto de titânio através de geometrias octaédrica. Sendo a ordem de cada célula unitária é de dez micrómetro, o comprimento de cada treliça dentro de cada célula unitária é de cerca de três a cinco micrómetro e o diâmetro de cada suporte é inferior a um micrómetro, e a espessura de nitreto de titânio de aproximadamente de setenta e cinco nanómetros.
As estruturas mais leves de organismos como poríferas as esponjas do mar conseguem suportar forças que excedem em muito os produtos artificiais produzidos a partir de materiais semelhantes. Alguns investigadores já suspeitavam que a diferença tem a ver com a arquitetura hierárquica dos materiais biológicos, a forma como as estruturas à base de sílica são construídas a partir de diferentes elementos estruturais que são medidos na escala dos nanômetros. Agora, engenheiros do Caltech que imitaram esse tipo de estruturas ocas, criadas através de nano-estruturas e treliças de cerâmica, e descobriram que os pequenos blocos, ou células unitárias que de fato suportam uma força notável e uma resistência ao deslocamento mas apesar de ter mais do que oitenta e cinco porcento do volume oco, como se vê na IMAGEM01

IMAGEM01

Inspirado em parte por materiais biológicos resistentes e pelo trabalho anterior de Toby Schaedler e uma equipa do HRL Laboratories e Caltech, sendo a produção das microestruturas feitas pela UC Irvine sendo estas extremamente leves, sendo os modelo desenhado com estruturas de construção com cinco mícrones de comprimento o que significa que estas estruturas não são visíveis pelo olho humano.

A construção desses modelos à escala dos nanómetros permitiu-nos dissociar a força dos materiais a partir da sua densidade e fabricar metamateriais estruturais que são muito duros e extremamente leve.

Na escala dos nanómetros os sólidos têm sido mostrados para exibir propriedades mecânicas que diferem substancialmente daqueles apresentados pelos mesmos materiais em escalas maiores, com por exemplo o grupo da professora de Ciência dos Materiais Julia R. Greer do Caltech que demonstrou anteriormente que alguns metais à nano escala são cerca de cinquenta vezes mais forte do que o normal e que alguns materiais amorfos se tornam dúcteis e não frágil, assim podem aproveitar estes defeitos devido à dimensão e usa-los para fazer estruturas tridimensionais reais.

Neste artigo da Nature a Professora Julia R. Greer e os seus alunos descrevem a forma como as novas estruturas foram feitas e como respondem às forças aplicadas, sendo a maior estrutura que a equipa produziu até o momento usando este novo método foi um cubo de um milímetro.

Os testes de compressão em toda a estrutura indicam que não só as células unitárias individuais mas também o desenho completo pode ser dotado com invulgar alta resistência dependendo do material o que sugere que os métodos de produção que os investigadores desenvolvem pode ser utilizado para produzir componentes de pequena escala, leves e mecanicamente robustos, como baterias, catalisadores, interfaces e dispositivos biomédicos implantáveis.

Este tipo de trabalhos pode mudar fundamentalmente a formas de como as pessoas pensam sobre a criação e produção de materiais, pelo que através deste tipo de abordagem, podemos realmente começar a pensar sobre a criação de desenho de materiais de forma inversa ao que pensamos, pelo que um pessoa pode começar com uma propriedade e dizer que se pretende e que têm uma determinada força e uma determinada condutividade térmica podendo assim desenhar o modelo ideal com o material ideal para a dimensão precisa e acabar com o material ideal.

IMAGEM02

A equipa acima mencionada quando desenhou a primeira estrutura da treliça foi através de uma unidade células octaédricos que imita o tipo de estruturas cristalinas periódicas que mimica diatomáceas após isso os investigadores usam uma técnica parecida à litografia para passar o desenho para um modelo tridimensional do desenho da rede polimérica da treliça. Em seguida foi uniformemente revestida com polímero reticulado de camadas finas de material de cerâmica de nitreto de titânio (TiN) e removido o núcleo de polímero, deixando uma nano estrutura cerâmica. A estrutura é construída numa matriz ocas tendo as paredes a espessura de setenta e cinco nanômetros como se vê na IMAGEM02 acima.

Sendo atualmente possível capaz de se desenhar exatamente a estrutura que se pretende replicar e em seguida produzi-la de tal forma que pode se produzida em quase qualquer tipo de material que se pretenda como por exemplo materiais metais, cerâmicos, ou semicondutores e com as dimensões pretendidas. Tendo este grupo realizado este caso com estruturas feitas de ouro invés de cerâmicos, pelo que basicamente uma vez que se criem as treliças e usando esta técnica pode-se depositar qualquer material, como se vê abaixo na IMAGEM03

IMAGEM03

No artigo da Nature Materials esta equipa testou as células octaédricos individuais da estrutura cerâmica final e descobriram que tinham uma força excecionalmente de alta de elasticidade, apesar de ter sido submetido várias vezes aos ensaios de forças, as células reticulares não se fraturam, enquanto um bloco maior sólido fraturou com menos força, os materiais cerâmicas tipicamente têm fracturas devido às falhas e as imperfeições, como buracos e vazios que este tipo de matérias contêm. Sendo que a resistência desses materiais nanoestruturados vem do facto de que quando as amostras tornam-se suficientemente pequenas suas falhas potenciais também se tornou muitas pequenas, e que a probabilidade de encontrar uma falha fraco dentro delas se torna muito baixo. Assim apesar da mecânica dos materiais pode-se prever que uma estrutura celular feita de TiN seria fraca porque tem paredes muito finas, mas pode-se induzir eficazmente esta lei, reduzindo a sua espessura ou o tamanho do material e pelo ajuste de sua microestrutura, ou configurações atômicas.