Ling Li procura ouriços-do-mar em busca de espumas de cerâmica mais fortes

Sep 28, 2023

27 de outubro de 2022

Ling Li, professor assistente do Departamento de Engenharia Mecânica da Virginia Tech, desvendou um mistério nas microestruturas porosas de exoesqueletos de ouriços-do-mar que podem levar à criação de cerâmicas sintéticas leves. Suas descobertas foram publicadas na Nature Communications em 14 de outubro.

As cerâmicas são altamente resistentes ao calor, o que as torna uma escolha favorita no gerenciamento das demandas térmicas brutais de veículos de alta velocidade que viajam mais rápido que a velocidade do som. Nessas velocidades vertiginosas, o ar comprimido cria fricção significativa contra o veículo, resultando em um rápido aumento no calor que encontra.

A resistência ao calor pode ser a força da cerâmica, mas a tolerância a danos é uma fraqueza. Um único impacto pontual em uma placa de cerâmica pode resultar em uma trinca que se espalha rapidamente e causa a falha total da estrutura. As cerâmicas tornam-se ainda menos tolerantes a danos quando são porosas para redução de peso; no entanto, diminuir o peso é um requisito crítico para muitas aplicações estruturais, incluindo veículos de alta velocidade.

A Força Aérea dos EUA, um dos patrocinadores da pesquisa de Li, há muito tempo está interessada em melhorar o desempenho mecânico dos materiais cerâmicos. Além de receber apoio financeiro do Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, a equipe de Li também obteve fundos da National Science Foundation.

Esses fundos combinados, recebidos pelo laboratório em 2018, equiparam os pesquisadores para explorar novos princípios de design embutidos nos sólidos celulares de cerâmica natural formados por organismos como ouriços-do-mar. O exoesqueleto de um ouriço-do-mar é um tipo de sólido celular, ou "espuma", assim chamado porque sua microestrutura é um conjunto de células abertas com bordas ou faces sólidas, agrupadas para preencher o espaço. As lacunas entre as células as tornam porosas, criando um material que pode ser mecanicamente mais eficiente do que estruturas densas.

"Neste trabalho, achamos que encontramos algumas das principais estratégias que permitem que o ouriço-do-mar seja forte e resistente, oferecendo redução de peso com sua microestrutura porosa", disse Li. "Este artigo da Nature Communications relata os resultados que encontramos do que está escondido dentro."

Os espinhos dos ouriços-do-mar são rígidos, fortes e leves. Esses espinhos são feitos de um mineral frágil chamado carbonato de cálcio, que é semelhante à cerâmica sintética, mas o ouriço tem uma tolerância muito maior a danos ao receber peso ou força. A equipe de Li testou esse princípio pressionando as lombadas mecanicamente, simulando o mesmo tipo de condição sob a qual uma cerâmica de engenharia pode precisar resistir. Os espinhos do ouriço-do-mar deformaram-se graciosamente sob a força aplicada sobre eles, em contraste com a falha catastrófica dos atuais sólidos celulares de cerâmica sintética. Esse comportamento de "falha graciosa" permite que os espinhos do ouriço-do-mar resistam a danos com capacidade significativa de absorção de energia.

No decorrer desta pesquisa, a equipe de Li descobriu alguns segredos que dão ao ouriço sua capacidade de se manter unido durante o carregamento mecânico.

"Existem alguns segredos nas características estruturais dos espinhos do ouriço-do-mar. Um está relacionado à conexão dos galhos", disse Li. "O segundo é o tamanho dos poros."

Sob um microscópio, a equipe de Li observou uma arquitetura de ramificações curtas interconectadas. Uma rede de nós mantém essas ramificações unidas, e um dos segredos da tolerância a danos do ouriço é o equilíbrio entre o número de nós e as ramificações. Esse número é precisamente crítico porque os nós com muitas ramificações conectadas farão com que a estrutura se torne mais frágil e quebrável. Os nós na estrutura porosa nos espinhos do ouriço-do-mar estão conectados a três ramificações em média, o que significa que a rede de ramificações sofrerá fratura induzida por flexão em vez de fratura induzida por estiramento mais catastrófica.

O segundo segredo está no tamanho dos vãos, ou poros, entre os galhos. A equipe descobriu que as lacunas dentro da estrutura porosa dos espinhos do ouriço-do-mar são apenas um pouco menores que o tamanho dos galhos. Isso significa que, uma vez que os galhos se quebrem, eles podem ser travados no lugar imediatamente por essas aberturas menores. Galhos quebrados se empilham uns sobre os outros nos poros, criando uma região densa que ainda é capaz de sustentar a carga.