Dois engenheiros de Princeton desenvolvem novo material à base de cimento que promete resistência 5 vezes maior ao imitar a arquitetura tubular dos ossos humanos
Dois engenheiros de Princeton desenvolvem novo material à base de cimento que promete resistência 5 vezes maior ao imitar a arquitetura tubular dos ossos humanos
Um grupo de engenheiros da Universidade de Princeton desenvolveu um novo material à base de cimento que é 5,6 vezes mais resistente a danos do que os materiais convencionais. Este avanço, publicado na revista Advanced Materials , é inspirado na arquitetura do osso cortical humano, que proporciona resistência excepcional a fraturas e falhas repentinas. Esta inovação representa uma oportunidade para melhorar a durabilidade dos materiais de construção e a sua sustentabilidade, sem sacrificar a resistência estrutural.
Materiais inspirados em ossos humanos: uma inovação na construção sustentável
Inspiração na arquitetura óssea
A equipe, liderada pelo professor assistente Reza Moini e pelo estudante de doutorado Shashank Gupta, baseou-se na estrutura do osso cortical, a densa camada externa de ossos longos como o fêmur. Esse osso é formado por ósteons, estruturas tubulares elípticas que ajudam a desviar fissuras, evitando falhas catastróficas.
Ao replicar esse desenho em uma pasta de cimento com tubos cilíndricos e elípticos, os pesquisadores fizeram com que o material resistisse melhor à propagação de fissuras, aumentando sua capacidade de absorver energia e evitar falhas repentinas.
Maior resistência e dureza
Um dos problemas comuns com materiais de construção frágeis, como o cimento, é que eles podem falhar de forma abrupta e catastrófica. Enquanto a resistência garante a capacidade de suportar cargas, a dureza do material define a sua resistência a fissuras e à propagação de danos. A equipe de Princeton desenvolveu uma técnica que resolve esses problemas, criando um material mais duro que os convencionais, sem sacrificar a resistência estrutural.
O sucesso desta melhoria reside no desenho deliberado da arquitetura interna do material, equilibrando as tensões na frente da fissura com a resposta mecânica geral do cimento. Esta abordagem é baseada em princípios teóricos da mecânica da fratura e da mecânica estatística, permitindo que as propriedades fundamentais dos materiais sejam melhoradas “por projeto”, explicou Moini.
Um mecanismo único de endurecimento progressivo
O design bioinspirado dos tubos dentro do cimento promove a interação entre as fissuras e os tubos, acionando um mecanismo de endurecimento escalonado. Esse processo faz com que as trincas fiquem presas nos tubos e atrasem sua propagação, levando a uma maior dissipação de energia em cada interação.
Gupta observou que, diferentemente dos métodos tradicionais que fortalecem os materiais pela adição de fibras ou plásticos, esta abordagem aproveita a geometria e a orientação dos tubos. Isto não só melhora a resistência do material, mas também permite que ele resista a danos progressivos, em vez de quebrar repentina e catastroficamente.
Rumo a um design mais sustentável
Além de melhorar a resistência à fratura, os pesquisadores introduziram um novo método para quantificar o grau de desordem na arquitetura do material, utilizando parâmetros da mecânica estatística. Isso permitiu a criação de um quadro numérico que representa com maior precisão os arranjos do material, passando de uma classificação binária entre ordenado e não periódico para um espectro que inclui diferentes graus de desordem.
A equipe espera que o uso de métodos avançados de fabricação, como a fabricação aditiva, possa promover o projeto de estruturas mais desordenadas e mecanicamente favoráveis, o que permitiria que esses projetos tubulares fossem dimensionados para aplicação em infraestrutura civil.
Aplicações futuras
A equipe de pesquisa desenvolveu técnicas que permitem grande precisão no projeto de materiais utilizando robótica e manufatura aditiva. Ao aplicar essas tecnologias a novas arquiteturas e combinações de materiais duros ou macios dentro de tubos, buscam ampliar as possibilidades de aplicação em materiais de construção mais resistentes a danos.
Gupta concluiu que estão apenas começando a explorar as possibilidades. Variáveis como tamanho, formato e orientação dos tubos poderiam ser ajustadas para projetar estruturas ainda mais resistentes a danos, aplicando esses princípios a outros materiais frágeis para melhorar sua durabilidade.
Através de princeton.edu