Cubo de carbono é mais forte que diamante, mas muito mais leve

Redação do Site Inovação Tecnológica - 14/04/2020

A nanoestrutura, formada por paredes com 160 nanômetros de espessura, tinha sido teorizada há tempos, mas ninguém havia conseguido fabricá-la até agora.
[Imagem: Cameron Crook and Jens Bauer / UCI]

Nanoestrutura superforte

No ano passado, depois de usar simulações computacionais, pesquisadores anunciaram que novas formas de carbono seriam ser mais duras que o diamante quando pudessem ser sintetizadas.

Cameron Crook e colegas de universidades norte-americanas e alemãs - incluindo duas químicas brasileiras - decidiram trabalhar por outras vias e já estão com uma estrutura mais forte que o diamante em cima da mesa.

Crook sintetizou uma nanoestrutura formada por células fechadas, em vez das treliças cilíndricas comumente usadas nas últimas décadas na construção dessas nanoestruturas. Embora seja bem menos densa - ela é repleta de espaços vazios - a nanoestrutura de carbono pirolítico é mais forte que o diamante em termos de uma razão entre força e densidade

O projeto melhorou o desempenho médio das arquiteturas cilíndricas baseadas em vigas em até 639% em resistência e 522% em rigidez, diz a equipe, que tem base de comparação porque havia construído uma estrutura assim há alguns anos, uma nanotorre de Babel quase tão forte quanto diamante.

"Cientistas previram que as nanotreliças dispostas em um design baseado em placas seriam incrivelmente fortes," disse Crook. "Mas a dificuldade de fabricar estruturas dessa maneira significava que a teoria nunca havia sido comprovada, até que conseguimos fabricá-las."

Em vez de peças tubulares, a nanoestrutura é formada por células fechadas.
[Imagem: Cameron Crook et al. - 10.1038/s41467-020-15434-2]

Força e baixa densidade

A técnica de fabricação usa um complexo processo de impressão a laser 3D chamado litografia direta a laser de dois fótons. À medida que uma resina sensível à luz ultravioleta é adicionada camada por camada, o material se torna um polímero sólido nos pontos em que dois fótons se encontram. A técnica é capaz de processar células repetidas, que se tornam placas com faces tão finas quanto 160 nanômetros.

Uma das inovações do grupo foi a inclusão de pequenos orifícios nas placas, que são usados para remover o excesso de resina do material acabado. Como passo final, as treliças passam por pirólise, na qual são elas aquecidas a 900 ºC no vácuo por uma hora. O resultado final é uma treliça em forma de cubo de carbono vítreo que possui a maior força que os cientistas já pensaram ser possível para um material tão poroso.

"Quando você pega qualquer pedaço de material e diminui drasticamente seu tamanho, para a casa dos 100 nanômetros, ele se aproxima de um cristal teórico, sem poros ou rachaduras. Reduzir essas falhas aumenta a força geral do sistema," disse Bauer.

Nanoestruturas como esta são altamente promissoras para engenharia estrutural, principalmente no setor aeroespacial, com sua combinação de força e baixa densidade de massa podendo melhorar significativamente o desempenho de aviões e espaçonaves.

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