Estereoma de equinoderme como um sólido celular bicontínuo. a Fotografia de um ouriço-do-mar H. mamillatus visto ventralmente . b Imagem SEM da estrutura do estereoma. Imagem óptica inserida da seção transversal de uma lombada. c Reconstruções µ-CT do estereoma e da estrutura de vazios correspondente (inserção). d s , d v , e d t representam as espessuras (diâmetros) de estereoma, estrutura de vazios e gargantas, respectivamente. d , e Rede celular 3D de estéreo e a estrutura de vazios correspondente com tipos de nós coloridos por suas conectividades. f , g As distribuições de espessura do estereoma ( d s ) e a estrutura de vazios correspondente ( d v ). h Renderização em 3D de pequenas gargantas ( d t < 24 μm) para volume ( c ). i Distribuição de ds , dv e dt . _ _ j Distribuição da forma interfacial do estereoma. κ 1 e κ 2 são as curvaturas principais máxima e mínima, respectivamente. k Visualização de regiões em estéreo com distribuições de curvatura mostradas em (j), onde as regiões roxas e verdes correspondem a superfícies mínimas com curvatura média zero e a superfície de sela com maior densidade de distribuição, respectivamente. l Uma imagem SEM da superfície da ramificação do estereoma. Crédito: Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-33712-z
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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.
As cerâmicas são altamente resistentes ao calor, o que as torna a escolha favorita para gerenciar as brutais demandas térmicas de veículos de alta velocidade que viajam mais rápido que a velocidade do som. Nessas velocidades vertiginosas, o ar comprimido cria atrito significativo 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 cerâmica pode resultar em uma rachadura que se espalha rapidamente, causando a falha total da estrutura.
As cerâmicas tornam-se ainda menos tolerantes a danos quando são tornadas porosas para redução de peso; no entanto, a redução do 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 se interessa 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 incorporados nos sólidos celulares cerâmicos naturais 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.
▪️ Como lidar com os danos como um ouriço do mar
“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 quebradiço 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 espinhas 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 exercida sobre eles, em contraste com a falha catastrófica dos atuais sólidos celulares cerâmicos sintéticos. 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.
▪️ Segredos das profundezas
“Existem alguns segredos nas características estruturais dos espinhos dos ouriços-do-mar. Um deles está relacionado à conexão dos ramos”, disse Li. “O segundo é o tamanho dos poros.”
Sob um microscópio, a equipe de Li observou uma arquitetura de ramos curtos interconectados. Uma rede de nós mantém esses ramos juntos, e um dos segredos da tolerância a danos do ouriço é o equilíbrio entre o NÚMERO de nós e ramos. Esse NÚMERO é PRECISAMENTE CRÍTICO porque nós com muitas ramificações conectadas farão com que a estrutura se torne mais frágil e quebrável.
Os nós na estrutura porosa em espinhos de ouriço-do-mar estão conectados a três ramos em média, o que significa que a rede de ramos sofrerá fratura induzida por flexão em vez de fratura induzida por estiramento mais catastrófica.
O segundo segredo está no tamanho das lacunas, ou poros, entre os ramos.
A equipe descobriu que as lacunas dentro da estrutura porosa dos espinhos dos ouriços-do-mar são apenas um pouco menores do que o tamanho dos galhos. Isso significa que, uma vez que os ramos fraturam, eles podem ser travados 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.
Os ouriços-do-mar também têm uma morfologia de superfície diferente da cerâmica sintética.
Cerâmicas celulares fabricadas têm MUITOS DEFEITOS microscópicos em suas superfícies e internamente, tornando esses materiais mais suscetíveis a FALHAS. Este NÃO É O CASO da espinha do ouriço-do-mar, que tem uma superfície quase vítrea, lisa até a escala nanométrica. DEFEITOS são pontos a partir dos quais os danos podem começar, e A FALTA DE DEFEITOS significa a falta de locais propensos a FALHAS.
Li demonstrou essa ideia com um pedaço de papel. “Quando você tenta rasgar um pedaço de papel não danificado, o papel resiste a rasgar.
Se você fizer um pequeno rasgo na lateral do papel, no entanto, o rasgo continuará a partir desse ponto danificado.”
Com galhos, poros e uma superfície lisa em jogo, os espinhos leves do ouriço-do-mar alcançam alta resistência e tolerância a danos, distribuindo uniformemente o estresse dentro da estrutura e absorvendo energia com mais eficiência.
▪️ Fazendo a próxima geração de cerâmica
Com esse conhecimento, podemos recriar a suavidade, a falta de defeitos e as estruturas específicas de ramificações e nós necessárias para capitalizar os segredos do ouriço-do-mar? No momento, não podemos, porque os métodos atuais de processamento de cerâmica não estão lá.
Cerâmicas feitas sinteticamente são normalmente formadas em um processo de duas etapas.
O primeiro passo é criar a forma, e o segundo é queimar a peça para que a cerâmica endureça, o que lhe confere a resistência pela qual é conhecida. Os oleiros seguem esse método quando criam uma panela e a aquecem em um forno. Processos semelhantes também são usados para cerâmicas impressas em 3D, onde a etapa de impressão 3D forma a forma e, em seguida, a queima subsequente é necessária para produzir as peças cerâmicas finais.
Essa etapa de queima, ou sinterização, é a mais problemática para recriar a microestrutura do ouriço-do-mar, porque o processo de sinterização leva à formação de defeitos microscópicos, tornando-os de baixa resistência.
“No meu laboratório, também estamos interessados em COMO organismos como os ouriços-do-mar FORMAM esses sólidos celulares cerâmicos naturais“, disse Li.
“Esperamos que um dia possamos não apenas integrar os princípios de DESIGN de materiais a materiais cerâmicos leves de INSPIRAÇÃO biológica, mas também as estratégias de processamento de materiais aprendidas com sistemas naturais”.
[Ênfase adicionada]
Mais informações: Ting Yang et al, High strength and damage-tolerance in echinoderm stereom as a natural bicontinuous ceramic cellular solid, Nature Communications (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-33712-z
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