Cimento inspirado na madrepérola é 19 vezes mais resistente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/06/2024

Estrutura do compósito de cimento e polímero inspirado nas conchas de moluscos.
[Imagem: Shashank Gupta et al. - 10.1002/adfm.202313516]

Cimento antitrinca

Inspirando-se no material que forma as conchas das ostras e abalones, engenheiros criaram um novo cimento que é 17 vezes mais resistente a fissuras do que o cimento padrão e 19 vezes mais capaz de esticar e deformar sem trincar.

Na verdade, a inovação tem caráter mais amplo, podendo aumentar a resistência à fissuração de uma ampla gama de materiais cerâmicos frágeis, do concreto à porcelana.

O material é um compósito inspirado no nácar, ou madrepérola, o material das conchas de alguns moluscos. No nível microscópico, o nácar consiste em ladrilhos hexagonais do mineral aragonita, que é muito duro, colados por um biopolímero macio. Os ladrilhos de aragonita contribuem significativamente para a resistência do nácar, enquanto o biopolímero acrescenta flexibilidade e resistência a fissuras.

O mecanismo que torna o material duro envolve o deslizamento das pastilhas de aragonita quando estas ficam sob tensão, o que permite que o nácar dissipe energia. Esta ação deslizante, combinada com a deflexão da fissura e a deformação do biopolímero, permitem que o nácar suporte tensões mecânicas substanciais, mantendo a integridade estrutural, tornando o material forte e resiliente.

Shashank Gupta e seus colegas da Universidade de Princeton, nos EUA, conseguiram agora reproduzir esse mecanismo em um material sintético.

Amostra sendo submetida a teste de flexão.
[Imagem: Sameer A. Khan/Fotobuddy]

Compósito biomimético

Para imitar a madrepérola, Gupta desenvolveu compósitos utilizando materiais de construção convencionais, como pasta de cimento Portland combinado com uma quantidade limitada de polímero. Ele alternou camadas de folhas de pasta de cimento com um polímero altamente elástico, o polivinil siloxano.

O material foi montado na forma de pequenos tijolos multicamadas - camadas alternadas de pasta de cimento e polímero. Os pesquisadores produziram três tipos de tijolos. O primeiro tipo consistia em camadas alternadas de folhas de pasta de cimento e polímero. Para o segundo tipo, usaram um laser para gravar ranhuras hexagonais nas folhas de pasta de cimento. Essas folhas ranhuradas foram então empilhadas com finas camadas de polímero entre elas. O terceiro tipo era semelhante ao segundo, mas os pesquisadores cortaram completamente o cimento, criando ladrilhos hexagonais separados, conectados pela camada de polímero. Esses ladrilhos de pasta de cimento ficam sobre a camada de polímero de forma semelhante à forma como a aragonita fica sobre a camada de biopolímero no nácar.

Amostras dos três tipos foram comparadas com uma amostra convencional, de pasta de cimento fundida sólida (monolítica), como referência, sendo todas submetidas a um teste de flexão chanfrada de três pontos, onde cada tijolo foi testado sob flexão para avaliar a resistência à trinca (ou tenacidade à fratura).

Os resultados mais significativos foram apresentados pelos tijolos com pastilhas hexagonais completamente separadas, semelhantes ao nácar - o terceiro tipo. Essas amostras apresentaram 19 vezes mais ductilidade e 17 vezes mais tenacidade à fratura, mantendo quase a mesma resistência que o tijolo sólido de pasta de cimento, embora seja muito mais leve.

Seção do tijolo do novo compósito.
[Imagem: Shashank Gupta et al. - 10.1002/adfm.202313516]

Mais trabalho e mais resultados

A equipe observa que estes resultados são baseados em condições de laboratório e que serão necessários trabalho e pesquisa adicionais para desenvolver as técnicas para uso do compósito em campo. Eles estão trabalhando para determinar se a resistência à fratura e a ductilidade das estruturas se aplicam a outros materiais cerâmicos além da pasta de cimento, como o concreto.

"Estamos apenas arranhando a superfície; haverá inúmeras possibilidades de projeto para explorar e projetar as propriedades constitutivas dos materiais duros e macios, as interfaces e os aspectos geométricos que influenciam os efeitos fundamentais do tamanho nos materiais de construção," disse o professor Reza Moini.

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