Materiais ultraleves suportam impactos supersônicos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/06/2021

Material nanoarquitetado, projetado para absorver impactos.
[Imagem: Carlos Portela et al - 10.1038/s41563-021-01033-z]

Materiais anti-impacto

Um material construído a partir de estruturas de carbono em micro e nano-escala conseguiu suportar o impacto de partículas arremessadas contra ele em velocidades supersônicas.

O material ultraleve é composto por vigas de carbono em escala nanométrica, criando uma estrutura de treliça que garante resistência e robustez mecânica. Os primeiros protótipos são mais finos do que a espessura de um fio de cabelo humano.

A equipe testou a resiliência do material disparando contra ele micropartículas em velocidades supersônicas. Muitos dos microprojéteis não apenas não conseguiram penetrar no material, como ricochetearam nele, mostrando uma elasticidade inesperada.

Se a mesma estrutura puder ser ampliada e fabricada em larga escala, esta pode ser uma rota promissora para a criação de versões mais leves e mais resistentes de capacetes, revestimentos de proteção, escudos contra explosão e outros materiais resistentes a impactos.

"A mesma quantidade de massa do nosso material seria muito mais eficiente para parar um projétil do que a mesma quantidade de massa de Kevlar," disse Carlos Portela, do MIT.

Materiais nanoarquitetados

Os chamados materiais nanoarquitetados - ou nanoengenheirados - consistem em estruturas padronizadas, em escala nanométrica, montadas para formar estruturas similares às usadas em pontes e vigamentos de telhados.

Dependendo de como suas estruturas são dispostas, os materiais podem alcançar propriedades únicas, como leveza e resiliência. É por isso que esses materiais nanoarquitetados são vistos como materiais potencialmente mais leves e mais resistentes ao impacto.

Mas esse potencial só agora começa a ser testado na prática. "Nós só sabemos sobre sua resposta [aos impactos] em um regime de deformação lenta, enquanto muitos de seus usos práticos estão sendo pensados para aplicações do mundo real, onde nada se deforma lentamente," disse Portela.

Para fazer esses testes, Portela optou por replicar uma estrutura, conhecida como tetrakaidecaedro, já usada em espumas de absorção de choques, mas fabricando-a com carbono, para tentar dar flexibilidade ao material, que normalmente é rígido. "Embora o carbono seja normalmente frágil, o arranjo e os pequenos tamanhos das vigas no material nanoarquitetado dão origem a uma arquitetura elástica e dominada por dobras."

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Usando uma câmera de alta velocidade, os pesquisadores capturaram vídeos das micropartículas durante impacto com o material nanoarquitetado.
[Imagem: Carlos Portela et al - 10.1038/s41563-021-01033-z]

Impactos supersônicos

Portela testou seu material disparando contra ele microprojéteis, partículas de silício com 14 micrômetros de diâmetro, em velocidades de 1.100 metros por segundo - a velocidade do som é de aproximadamente 340 metros por segundo.

Filmando tudo com uma câmera de alta velocidade, foi possível ver como os microprojéteis amassavam ligeiramente o material no ponto de impacto e eram então repelidos. Toda a arquitetura de vigas de carbono em volta da área de impacto ficou intacta.

"Mostramos que o material pode absorver muita energia por causa desse mecanismo de compactação de choque das vigas em nanoescala, em comparação com algo que é totalmente denso e monolítico, não nanoarquitetado," disse Portela.

A equipe planeja a seguir explorar outras configurações nanoestruturadas, bem como outros materiais além do carbono, e maneiras de ampliar sua produção - tudo com o objetivo de projetar materiais de proteção mais resistentes e leves.

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