Nanomecânica: os desafios de medir coisas pequenas demais

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/08/2011

a) filme rígido é colocado sobre um substrato flexível. b) tração inicial gera rugas superficiais paralelas à tensão. c) uma tensão adicional gera um padrão regular de trincas no filme. d) uma imagem da amostra, que pode ser interpretada e medida por software para se determinar os valores das propriedades mecânicas do material.
[Imagem: Chung, Lee/NIST]

Metrologia em nanoescala

Por mais precisos que sejam, os paquímetros, micrômetros e rugosímetros atuais têm pouca ou nenhuma utilidade conforme a mecânica começa a se transformar em nanomecânica.

Nessas novas dimensões, os tubos, eixos e chapas começam a responder por nanotubos, nanofios e filmes.

O que era uma tela de um elemento filtrante, por exemplo, no mundo nascente da nanomecânica, torna-se uma película fina, ou uma membrana, usada em sistemas de osmose reversa ou em células a combustível, onde a "precisão" da filtragem atinge o nível das moléculas.

Mas a nanomecânica continuará necessitando de instrumentos de medição, para que os nanofuros das nanomembranas sejam consistentes com o fim a que se destinam e para que possam ser fabricados em larga escala sempre do mesmo tamanho.

Uma das técnicas mais promissoras para fazer essas medições em escala nanométrica acaba de ser desenvolvida pelo Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia dos Estados Unidos.

Estica e mede

A técnica é a primeira a determinar com segurança três propriedades mecânicas fundamentais desses filmes em nanoescala.

O módulo de Young, por exemplo - uma medida da rigidez ou da elasticidade - dos filmes finos e ultrafinos pode ser medido depositando o material sobre um pedaço de borracha de silicone e, a seguir, esticando-o cuidadosamente em uma direção.

Ao ser esticando, o filme vai desenvolvendo um padrão regularmente espaçado de rugas, e esse espaçamento das rugas, a intensidade do estiramento e um pouco de matemática resulta no módulo de Young.

Continue puxando e o filme vai começar a desenvolver minúsculas rachaduras, transversais à tensão aplicada.

Essas trincas também, ao que parece, ocorrem em padrões regulares, e o espaçamento entre elas pode ser analisado para determinar tanto a resistência à fratura quanto o ponto de falha do filme.

Efeito mecânico, não químico

Aplicados a nanomembranas usadas em equipamentos de osmose reversa, as técnicas já mudaram o conhecimento sobre a deterioração desses materiais filtrantes.

Até agora, acreditava-se que a deterioração das membranas ocorria pelo ataque contínuo do cloro presente na água.

Contudo, as novas análises mostraram que o ataque químico somente ocorre nas primeiras horas de operação, antes que a membrana apresente qualquer perda de rendimento.

O grande vilão da história não é químico, é um efeito mecânico.

Testes realizados, utilizando a nova técnica de medição, mostraram que as propriedades mecânicas da membrana degradam-se continuamente, tornando o material cada vez mais duro, frágil e quebradiço.

"Pode ser um efeito do envelhecimento dos polímeros", sugere Chris Stafford, que liderou a pesquisa. "Nós vamos continuar a estudar isso para tentar descobrir o que está acontecendo, porque é um desafio real para a metrologia alcançar essa escala de comprimento e ainda acompanhar a estrutura ao longo do tempo."

Aplicações da nanomecânica

Os pesquisadores afirmam que a nova técnica é aplicável a estudos de mecânica de praticamente qualquer filme fino em nanoescala.

Esses filmes já estão sendo utilizados em campos tão diversos quanto peles artificiais, eletrônica flexível, sensores de filmes finos, células a combustível e células fotovoltaicas.

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