Proteção contra terremotos: Esferas macias tornam meios porosos mais rígidos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/07/2023

As propriedades mecânicas efetivas de materiais compostos por esferas moles e rígidas foram investigadas usando ondas ultrassônicas e raios X.
[Imagem: Taghizadeh et al. - 10.1073/pnas.2219999120]

Rigidez versus elasticidade

A análise da composição exata de materiais heterogêneos e porosos, como concreto ou asfalto, e a influência das partículas formadoras nas propriedades mecânicas dos materiais resultantes, desempenha um papel extremamente importante em várias aplicações técnicas.

Por exemplo, quando um material compósito consiste em uma matriz de polímero macio reforçada com fibras de reforço rígidas - um dos materiais estado da arte em aplicações de ponta - a rigidez elástica efetiva do material compósito pode ser aumentada aumentando o teor de fibra.

Isso faz muita diferença, das aplicações aeroespaciais à construção civil, onde é preciso encontrar um equilíbrio adequado entre rigidez e flexibilidade, para proteger os prédios contra terremotos, por exemplo.

Para adaptar esses materiais aos requisitos de aplicação específicos, contudo, é necessário conhecer a proporção exata da mistura e o comportamento efetivo do material resultante.

Ao estudar exatamente isso, Kianoosh Taghizadeh e seus colegas das universidades de Stuttgart (Alemanha) e Twente (Países Baixos) tiveram uma surpresa, mostrando que obter um equilíbrio entre rigidez e flexibilidade é mais complicado do que parecia.

Até uma combinação específica, a adição de esferas moles aumenta a rigidez do material total.
[Imagem: Uli Regenscheit/University of Stuttgart]

Contra as regras

Os pesquisadores primeiro prepararam embalagens esféricas e as encheram com diferentes proporções de esferas de mesmo tamanho, só que algumas feitas de vidro (rígidas) e outras de borracha macia (flexíveis).

Esses recheios foram postos em um cilindro equipado com sensores ultrassônicos piezoelétricos e agitados mecanicamente por atuadores sob condições de carga axial definidas. Durante a agitação, cada combinação de material era examinada por meio de raios X.

Curiosamente, a adição de até 20% de esferas de borracha (macias) aumentou a rigidez efetiva das embalagens, em vez de diminuí-la, como era esperado. No entanto, quando a fração das esferas de borracha superou os 30%, a rigidez começou a diminuir, já que a rede geral não era mais dominada por partículas rígidas.

"Este comportamento contradiz todas as regras clássicas de mistura," disse o professor Holger Steeb, membro da equipe. "Para obter uma melhor compreensão da resposta mecânica inesperada, tivemos que analisar a rede geral de partículas (rede de força), incluindo as sub-redes de vidro e borracha."

• Aleatoriedade reina na ordem cristalina

Até agora, a maior esperança de proteção contra terremotos estava nos metamateriais.
[Imagem: Aleksi Bossart et al. - 10.1073/pnas.2018610118]

Proteção contra terremotos

Nesta segunda etapa de análise, os pesquisadores avaliaram a morfologia do compósito combinando exames de ultrassom com caracterização de imagem por tomografia computadorizada de raios X (XRCT).

Os exames mostraram que a maior rigidez efetiva dos "recheios" com frações de borracha de até 20% pode ser explicada pelo comprimento das cadeias de força das partículas de vidro. "Ao mesmo tempo, a rede de partículas de vidro está em um chamado 'estado travado', com um número de coordenação correspondentemente alto. Se o volume da fração das esferas de borracha aumentar acima de 30%, as cadeias de força consistem em contatos mistos entre as esferas de vidro e as de borracha, que são bem mais macias."

Além disso, a avaliação das vizinhanças das esferas mostrou que o número de coordenação, ou seja, o número de esferas vizinhas do mesmo tipo, torna-se significativamente menor nessas frações de volume mais altas.

"Nesta fração de volume, nenhuma das duas fases esféricas está em estado de travamento e, portanto, o comportamento efetivo do material não é comparável a um sólido clássico," disse Steeb.

Os cientistas afirmam que estas conclusões têm grande implicação prática para a indústria da construção civil. Por exemplo, em áreas propensas a terremotos, a rigidez e as propriedades de amortecimento dos solos podem ser ajustadas por meio de misturas específicas de compostos de lastro e borracha, permitindo manipular de maneira direcionada as amplitudes e velocidades das ondas do terremoto. Ou seja, os edifícios podem ser protegidos desses perigos de forma inesperadamente eficiente e de baixo custo.

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