Natureza inspira material forte e leve para aviões e implantes ósseos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/05/2022

Projetados para imitar osso, madeira e outros materiais naturais, os objetos porosos são mais leves e podem ter sua resistência ajustada em cada ponto.
[Imagem: Fernando V. Senhora et al. - 10.1002/adma.202109304]

Transições naturais

Projetados para imitar osso, madeira e outros materiais naturais, estes novos objetos porosos são mais leves do que os produtos tradicionais e podem ser inseridos estrategicamente no interior de outras estruturas, para proporcionar maior rigidez em áreas sujeitas a cargas mais elevadas.

O destaque dessas estruturas porosas é o que Fernando Senhora e seus colegas das universidades de Princeton e Geórgia, nos EUA, chamam de microestruturas espinodais - redes de orifícios especialmente projetados que podem ser ajustados para se alcançar um comportamento otimizado em macroescala.

Na verdade, a grande inovação está na capacidade de fazer transições entre diferentes zonas do material, cada uma com sua própria arquitetura.

"Este é o conceito final de biomimética, uma vez que todas as estruturas naturais formam sistemas contínuos. Este é um fato conhecido desde a antiguidade - 'natura non facit saltus' - a natureza não dá saltos," disse o professor Davide Bigoni, coordenador da equipe.

Para demonstrar sua versatilidade, a equipe combinou diferentes projetos dessas microestruturas espinodais para prototipar implantes faciais para cirurgia reconstrutiva e peças rígidas e leves para aeronaves.

O segredo está nas transições suaves entre as diferentes estruturas da porosidade.
[Imagem: Fernando V. Senhora et al. - 10.1002/adma.202109304]

Materiais arquitetados

Ossos, chifres de animais, madeira e muitos outros materiais naturais são repletos de buracos. Os espaços vazios tornam os materiais leves e, em alguns casos, permitem que os fluidos corporais se movam pelos poros. Nos ossos, esses espaços permitem um processo de remodelação que torna o osso mais ou menos denso em resposta às demandas físicas.

Mas criar materiais sintéticos com propriedades semelhantes tem sido um desafio para os engenheiros.

A equipe venceu esse desafio projetando microestruturas com orifícios de diferentes tamanhos, formas e orientações. Os buracos podem ter a forma de esferas (como as dos esqueletos dos biscoitos do mar), diamantes (ossos), colunas (madeira) ou lentilhas (chifres).

Os objetos resultantes, conhecidos como materiais arquitetados ou materiais engenheirados, possuem desempenho personalizável com base na relação de material e geometria - eles podem apresentar rigidez em diferentes direções apenas variando sua forma. A densidade do material também pode ser alterada ajustando o tamanho e a orientação dos furos.

Um aspecto chave para o resultado obtido está nas transições perfeitas de um tipo de microestrutura para outro dentro do mesmo objeto. Alternar abruptamente entre microestruturas sem conectar a rede de poros faria com que o material se dividisse ao longo das costuras. Materiais feitos com microestruturas espinodais também são menos propensos a ter pontos fracos porque os buracos ocorrem aleatoriamente, em vez de em padrões regulares.

"Não é o material base que é melhor. São os recursos de microescala que são melhores," disse Emily Sanders, membro da equipe. "Em teoria, poderíamos fazer os andaimes de qualquer material - o mais apropriado seria explorar materiais biocompatíveis."

Os protótipos vão de peças para aviões a maxilares para implante.
[Imagem: Fernando V. Senhora et al. - 10.1002/adma.202109304]

Implantes e suportes de motores de avião

A técnica abre as portas para a criação de implantes com muitos tipos diferentes de material porque a combinação de geometria e material permite que os projetistas ajustem o desempenho, algo que não se consegue com os atuais implantes, tipicamente à base de titânio.

Para demonstrar um uso totalmente diferente, os pesquisadores combinaram três tipos de microestruturas para construir um suporte de motor a jato - uma parte crítica de uma aeronave, que mantém o motor no lugar e deve ser forte e leve.

"Temos uma técnica bastante poderosa no sentido de que combina arquiteturas de materiais com otimização em diferentes escalas e sua integração com manufatura aditiva," disse o brasileiro Gláucio Paulino, coordenador da equipe, atualmente na Universidade de Princeton. "Ele pode ter uma ampla gama de aplicações no sentido de que pode ser dimensionado, para que possa ser aplicado em nano e micro-tecnologias, bem como em meso e macro-escalas."

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