Nasce uma nova metalurgia inspirada na natureza, muito mais amena

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/08/2024

Inspirada na natureza e imitando a natureza, nasce um novo modo de fabricar coisas metálicas a temperatura ambiente.
[Imagem: Shiwei Ng et al. - 10.1002/adfm.202406800]

Por que a natureza não faz coisas metálicas?

A natureza tem sido uma fonte de inspiração essencial para muitos dos sucessos que a humanidade vem alcançando na produção de novos materiais. Mas há uma curiosidade interessante: Mesmo tendo todos os elementos químicos à sua disposição desde que a Terra foi criada, a natureza não costuma "fabricar" coisas metálicas, algo que a tecnologia humana gosta tanto.

Assim, sem uma inspiração natural, nossas tecnologias de metalurgia são brutas, exigindo altas temperaturas e gastando um bocado de energia, muito longe das condições ambiente do planeta.

Mas Shiwei Ng e colegas da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura acharam que valia a pena dar uma olhada na quitina, encontrada em todos os lugares na natureza, como nas conchas, nas cutículas e exoesqueletos de insetos e crustáceos e até nos cogumelos. É o segundo material orgânico mais abundante na Terra, é forte e leve, o que o torna ideal para muitas aplicações de engenharia.

"A quitina também tem uma forte afinidade por metais," justificou o professor Javier Fernandez, coordenador da equipe. "Decidimos avaliar se essa afinidade, combinada com os processos que moldam a cutícula, poderia ser usada para produzir estruturas metálicas funcionais de uma forma 'biológica'."

Descrição da técnica de metalurgia biomimética.
[Imagem: Shiwei Ng et al. - 10.1002/adfm.202406800]

Metalurgia de inspiração biológica

Ao investigar mais profundamente a afinidade que as quitinas e seus derivados têm pelos metais, os resultados não se fizeram esperar: A equipe projetou uma nova abordagem para a metalurgia, uma nova maneira de produzir estruturas metálicas funcionais sem os custos usuais de energia.

Na metalurgia humana, altas temperaturas e altas pressões são essenciais para derreter e moldar os metais. Na "metalurgia natural", a forma como os metais são incorporados em materiais quitinosos na natureza, tudo é muito mais suave, acontecendo nas amenas condições ambientais.

Os compostos metálicos encontrados, por exemplo, nas cutículas dos artrópodes, como as cascas dos caranguejos, só entram na receita nos estágios finais do desenvolvimento da quitina - a quitina primeiro endurece em uma casca por meio do curtimento e da desidratação, e só então os metais presentes no ambiente são incorporados a ela. A equipe descobriu que é assim também que os compostos metálicos são introduzidos na quitosana, que é um derivado da quitina.

E, ao copiar esse processo, eles foram capazes de formar compostos metálicos sólidos sob temperatura e pressão ambientais apenas introduzindo quantidades muito pequenas de quitosana e água entre partículas de vários metais. Quando a água evapora, as moléculas de quitosana replicam o processo de consolidação nas cutículas, puxando as partículas metálicas com tanta força que elas se tornam um sólido contínuo com 99,5% de metal.

É parecido com a preparação do cimento para aplicação na construção civil, só que usando metais, e sem precisar derreter os metais, que entram na receita na forma de pó. "Ao despejar partículas de metal na quitosana dissolvida e deixá-las 'secar', podemos formar peças metálicas maciças sem as restrições de derretimento," disse Fernandez.

Protótipos de demonstração construídos pela equipe.
[Imagem: Shiwei Ng et al. - 10.1002/adfm.202406800]

Novo paradigma para a metalurgia

Embora os compósitos quitometálicos produzidos pela equipe não sejam particularmente fortes, os pesquisadores descobriram que o material tem boa condutividade elétrica e pode ser impresso em 3D.

Ao mesmo tempo, o material continuou a apresentar compatibilidade com outros biomateriais, apesar de conter apenas uma pequena quantidade de quitosana, sendo quase totalmente um metal. Isso abre a possibilidade de introduzir essas propriedades quitometálicas em outros biomateriais, como madeira e celulose.

A equipe acredita que essa tecnologia cria um novo paradigma para a metalurgia. Apesar da falta de resistência mecânica, o biomaterial metálico é adequado para componentes não estruturais, que não precisam suportar cargas, como componentes elétricos ou eletrodos de baterias.

A metalurgia para alguns componentes passa a poder ser realizada sem uso intensivo de recursos. "Essa tecnologia não substitui métodos tradicionais, mas permite novos métodos de produção complementares," enfatizou Fernandez.

A equipe agora está estudando como usar sua nova tecnologia para desenvolver componentes eletrônicos 3D biodegradáveis, o que pode abrir caminho para métodos de produção mais eficientes e sustentáveis.

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