Como um macio fio de cabelo cega lâminas do aço mais duro?

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/08/2020

Um macio fio de cabelo (cilindro seccionado no alto) cria dentes na lâmina de aço mais afiada.
[Imagem: Gianluca Roscioli et al. - 10.1126/science.aba9490]

Por que a faca perde o fio

Todos conhecemos bem o fenômeno: a lâmina de barbear, feita com o aço mais duro disponível, deixa de cortar após alguns poucos usos; o fio mais afiado da faca mais refinada pode se tornar inutilizável - ao menos do ponto de vista do chefe - após cortar uns poucos tomates e batatas.

Apesar disso, não entendemos muito bem ainda como o aço perde seu fio ao cortar materiais muito mais moles do que ele próprio, como o cabelo humano, que é mais de 50 vezes mais mole do que o aço.

Embora geralmente se presuma que a degradação de uma aresta afiada se deva a mecanismos básicos de desgaste, como o arredondamento do fio ou trincas na borda do revestimento quebradiço e duro de uma lâmina de aço, essas explicações não cobrem a complexidade estrutural subjacente à interação entre o aço e o material que ele corta, nem a dinâmica de sua deformação durante o corte.

Para sanar esse dente no entendimento científico, Gianluca Roscioli e seus colegas do MIT construíram um simulador de cortes - um aparelho que simula as condições de um barbeador cortando pelos humanos ou uma faca cortando um material qualquer - e o colocaram dentro de um microscópio eletrônico de varredura para observar o processo em seus detalhes mais íntimos.

Eles também filmaram tudo com câmeras ultrarrápidas e ainda analisaram a composição molecular das lâminas, para tentar descobrir por que materiais macios - eles trabalharam com pelos humanos, batatas e queijo - podem cegar lâminas e facas, mesmo que as lâminas sejam muito mais duras e fortes do que os materiais cortados - a equipe usou lâminas de aço inoxidável martensítico.

Aparato experimental.
[Imagem: Gianluca Roscioli et al. - 10.1126/science.aba9490]

Por que a lâmina fica cega

A análise revelou que, durante o corte, as lâminas desenvolvem minúsculas saliências e rebaixos na aresta de corte. E essas rugosidades surgem devido ao processo de endurecimento do aço.

Essas rachaduras minúsculas tendem a ocorrer na fronteira entre áreas microscópicas do aço que apresentam propriedades ligeiramente diferentes - são os chamados grânulos do aço.

As imagens mostram que, quando a lâmina corta o pelo, essas rachaduras tendem a aumentar, com a amplitude da rachadura dependendo do ângulo entre a lâmina e o cabelo e se o cabelo encontra a lâmina justamente em um ponto em que existe uma dessas fronteiras entre grânulos.

Em outras palavras, não é que haja um desgaste da lâmina no fio: a lâmina literalmente se quebra, abrindo rachaduras entre seus grânulos, fazendo aparecer dentes e lascas.

A lâmina cria dentes, desfazendo o fio, dependendo do ângulo com que corta o material macio.
[Imagem: Gianluca Roscioli et al. - 10.1126/science.aba9490]

Aço nanoestruturado

"Nosso principal objetivo era entender um problema do qual mais ou menos todos estão cientes: Por que as lâminas se tornam inúteis quando interagem com materiais muito mais macios," disse o pesquisador Cem Tasan. "Nós descobrimos os principais ingredientes de falha, o que nos permitiu determinar um novo caminho de processamento para fabricar lâminas que possam durar mais tempo".

E a equipe também oferece algumas dicas sobre como preservar a afiação de uma lâmina. Por exemplo, ao fatiar legumes, corte o mais próximo possível de um ângulo de 90º.

Isto porque as imagens de microscopia eletrônica e os filmes em super câmera lenta mostraram que não surgiam trincas e dentes no aço quando o cabelo era cortado perpendicularmente à lâmina. Quando o cabelo estava livre para dobrar, no entanto, as lascas apareciam muito mais frequentemente - elas surgiam principalmente nos locais onde a borda da lâmina encontrava os lados dos fios de cabelo.

Os resultados sugerem que o design das lâminas de corte pode ser melhorado com a implementação de microestruturas mais homogêneas na aresta de corte, o que pode ser feito com ligas nanoestruturadas de aço, por exemplo, nas quais os grânulos são menores.

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