Materiais Avançados

Matemática vira realidade na forma de estruturas leves e fortes

Matemática vira realidade na forma de estruturas leves e fortes
O próximo passo será criar versões mais refinadas usando impressoras 3D de maior resolução. [Imagem: Jeff Fitlow/Rice University]

Schwarzitas

Nos idos de 1880, o matemático alemão Hermann Schwarz (1843-1921) idealizou estruturas matematicamente deslumbrantes e com potencial para serem extremamente fortes e versáteis.

Essas estruturas receberam o nome de schwarzitas, em homenagem ao seu idealizador, mas desde então têm-se mantido primariamente como teóricas.

Agora, três físicos brasileiros - Cristiano Woellner, Varlei Rodrigues e Douglas Galvão -, trabalhando em conjunto com colegas da Universidade Rice, nos EUA, ajudaram a desenvolver uma técnica para passar essas estruturas complexas da teoria para a prática.

O resultado são materiais fortes, leves e duráveis, construídos a partir de padrões complexos que se repetem.

Eles acreditam que a técnica, quando aprimorada, permitirá a fabricação de componentes eletrônicos em nanoescala, catalisadores, peneiras moleculares e componentes de baterias. E, em macroescala, podem-se tornar componentes fortes e resistentes a impactos para edifícios, carros e aeronaves.

Um dia poderá ser possível, dizem eles, até mesmo construir um prédio inteiro como se ele fosse um único tijolo de schwarzita.

Fortes e deformáveis

As estruturas porosas das schwarzitas, em escala atômica e molecular, são projetadas com algoritmos de computador, mas a equipe descobriu que pode enviar os dados dos programas para impressoras 3D e construir modelos de polímeros para testes em macroescala. As primeiras amostras usam a menor quantidade de material possível e ainda assim apresentam uma força e compressibilidade incomparáveis.

Os protótipos também apresentaram excelentes características de deformação. "A maneira como um material se quebra é importante. Você não quer que as coisas se quebrem catastroficamente; você quer que elas se quebrem devagar. Essas estruturas são maravilhosas porque, se você aplicar a força de um lado, elas se deformam lentamente, camada por camada," explicou o professor Chandra Tiwary.

Como as schwarzitas podem assumir uma infinidade de formas, a equipe limitou seus primeiros testes a estruturas primitivas e giroides, que têm superfícies periódicas mínimas. Assim como o modelo teórico previa para a estrutura em escala atômica, os protótipos fabricados na impressora 3D transferem as cargas a que são submetidas ao longo de toda a estrutura, não importando qual lado foi comprimido.

"É um tanto surpreendente que algumas características em escala atômica sejam preservadas nas estruturas impressas. Discutimos que seria bom se pudéssemos traduzir modelos atômicos de schwarzita em estruturas impressas 3-D. Depois de algumas tentativas, funcionou bastante bem. Este trabalho é um bom exemplo de uma colaboração eficaz teoria-experimento," disse Douglas Galvão.

O próximo passo será refinar as superfícies com impressoras 3D de maior resolução e minimizar ainda mais a quantidade de polímero para tornar os blocos ainda mais leves. No futuro, a equipe pretende imprimir em 3-D schwarzitas com materiais cerâmicos e metálicos e em uma escala maior.

Bibliografia:

Multiscale Geometric Design Principles Applied to 3D Printed Schwarzites
Seyed Mohammad Sajadi, Peter Samora Owuor, Steven Schara, Cristiano F. Woellner, Varlei Rodrigues, Robert Vajtai, Jun Lou, Douglas S. Galvão, Chandra Sekhar Tiwary, Pulickel M. Ajayan
Advanced Materials
DOI: 10.1002/adma.201704820




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