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Este material inspirado em concha pode fazer com que capacetes e armadura sejam mais seguros

Os mundos animal e vegetal inspiraram os cientistas durante séculos, e os cientistas há muito se interessam em saber por que certos organismos são resilientes ao impacto. Pense no crânio e no bico de um pica-pau, na forma protetora em que as escamas de um peixe se sobrepõem, ou na casca grossa que impede que uma fruta que cai se abra.

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Uma super estrela neste campo é a concha rainha, do tipo que você pode ter segurado ao ouvido para ouvir o oceano. A concha rainha é espancada por ondas e predadores, mas a estrutura do material que compõe sua concha é incrivelmente forte. Isto é devido à estrutura da casca, que apresenta camadas de carbonato de cálcio cruzadas dispostas em diferentes orientações e separadas por proteínas mais macias, explica Markus Buehler, professor de engenharia do MIT, cujo laboratório projetou uma réplica artificial dessa estrutura que poderia ser usado em capacetes e outras armaduras de proteção e publicou os resultados na revista Advanced Materials . Tanto na concha quanto na versão feita pelo homem, o "grão" do material alterna em 90 graus, de modo que o impacto de qualquer direção em particular dificilmente passará por ele.

"Não apenas podemos analisar esses sistemas e modelá-los e tentar otimizá-los, mas também podemos criar materiais novos e reais com essas geometrias", diz Buehler.

Os cientistas modelaram a estrutura da concha antes, mas os avanços na impressão 3D levaram a equipe de Buehler a ser capaz de reproduzi-la. A inovação crucial foi uma extrusora (o bocal pelo qual o material flui) capaz de emitir polímeros múltiplos mas relacionados, um que é muito rígido e outro mais maleável, para replicar as camadas de carbonato de cálcio e proteína do invólucro. Como os polímeros são semelhantes, eles podem ser colados sem cola, tornando-os menos propensos a se separar. Nos testes - que são realizados com a queda de 5, 6 quilos de pesos de aço em diferentes velocidades nas folhas do material - a estrutura cruzada mostrou um aumento de 85% na energia que poderia absorver, em comparação com o mesmo material sem ela.

Pode parecer simples projetar coisas com base na natureza, mas há muito mais a considerar do que simplesmente copiar um objeto diretamente, aponta o professor de engenharia mecânica da Universidade de Indiana-Purdue University em Indianápolis, Andreas Tovar. Tovar, que não era afiliado ao estudo do MIT, também trabalha com estruturas de proteção bio-inspiradas, como um projeto de carro baseado em uma gota de água e protegido por uma estrutura semelhante a uma caixa torácica.

A estrutura molecular da concha pode um dia ser usada para fazer capacetes ou coletes mais fortes. A estrutura molecular da concha pode um dia ser usada para fazer capacetes ou coletes mais fortes. (Wikimedia Commons)

"Existem duas maneiras de fazer design de inspiração biológica", diz ele. “Uma é através da observação da estrutura na natureza e, em seguida, tentando imitar essa estrutura. A segunda abordagem é imitar o processo que a natureza faz para criar uma estrutura ”. Por exemplo, a Tovar desenvolveu um algoritmo para imitar os processos celulares que constroem os ossos humanos, um exemplo da segunda abordagem. Buehler, em contraste, começou com o material maior, ou estrutura em nível de órgão, da concha da rainha e perguntou como recriar essa estrutura com materiais feitos pelo homem.

Tanto o trabalho de Tovar quanto o de Buehler envolvem discernir quais partes da estrutura são instrumentais para sua função e quais são vestígios de diferentes pressões evolucionárias. Ao contrário de um organismo vivo, um capacete bioinspirado, por exemplo, não precisa incluir funções biológicas como respiração e crescimento.

“Uma peça fundamental é que o [laboratório de Buehler] replica a complexidade hierárquica encontrada na natureza, diz Tovar. “Eles são capazes de fabricar usando métodos de fabricação aditiva. Eles testam, e eles vêem este aumento impressionante no desempenho mecânico ".

Embora Buehler tenha recebido financiamento do Departamento de Defesa, que está interessado em capacetes e coletes para soldados, ele diz que é aplicável, e possivelmente mais útil, em esportes, como capacetes de bicicleta ou futebol. "Eles poderiam ser otimizados, eles poderiam ir além dos requisitos atuais de design, que são bastante simplistas - você tem alguma espuma, você tem uma casca dura, e isso é muito bonito", diz ele.

Ainda não há capacete, diz Buehler - eles construíram o material e planejam aplicá-lo aos capacetes em seguida. E o design é importante, mesmo além do material. “Mesmo se não usarmos os materiais duros e macios que usamos aqui, aqueles que imprimimos em 3D, se você fizer a mesma coisa com outros materiais - você pode usar aço e concreto, ou outros tipos de polímeros, talvez cerâmicas - fazendo a mesma coisa, significando as mesmas estruturas, você pode realmente melhorar até mesmo suas propriedades, além do que elas podem fazer sozinhas ”, diz ele.

Este material inspirado em concha pode fazer com que capacetes e armadura sejam mais seguros