Materiais Avançados

Cerâmica mais dura do mundo é criada imitando a madrepérola

Cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, nos Estados Unidos, utilizaram o biomimetismo para criar a cerâmica mais dura já fabricada pelo homem. Biomimetismo é imitação de estruturas encontradas na natureza para a solução de problemas de engenharia.

A equipe do Dr. Robert Ritchie foi buscar inspiração na madrepérola, também conhecida como nácar. A madrepérola é uma substância calcária de origem animal, dura e brilhante. Ela é produzida principalmente por moluscos bivalves.

Emulando a natureza

Controlando cuidadosamente o congelamento de partículas de óxido de alumínio (alumina) suspensas em água salgada, e adicionando um polímero conhecido como PMMA (polimetilmetacrilato), os pesquisadores fabricaram uma cerâmica que é 300 vezes mais dura do que os seus elementos constituintes.

"Nós emulamos os mecanismos de endurecimento usados pela natureza para fabricar híbridos de alumina cristalizados que são comparáveis em resistência específica e dureza às ligas de alumínio," diz Ritchie.

"Nós acreditamos que esses materiais-modelo poderão ser usados para identificar características microestruturais que poderão nos levar, no futuro, à síntese de materiais estruturais bio-inspirados, ainda que não-biológicos, com resistência e dureza únicas," diz o pesquisador.

Dureza da madrepérola

A madrepérola, com toda a beleza de sua iridescência e a sua dureza, tem 95% de sua estrutura formada por aragonita, um mineral de carbonato de cálcio duro, mas quebradiço. Os outros 5% são moléculas orgânicas.

Sua dureza, contudo, vem de uma arquitetura de comprimento variável, com estruturas variando de nanômetros até micrômetros de comprimento. A engenharia humana ainda não é capaz de reproduzir essas variações de escala, que resultam em uma dureza 3.000 vezes maior do que a dureza do material original de que é feita a madrepérola.

"Fundição por congelamento"

A solução encontrada pelos pesquisadores foi utilizar cristais de gelo como moldes para a cristalização do material dissolvido na água. Eles já haviam usado a técnica com partículas de carbonato de cálcio em suspensão, produzindo estruturas parecidas com ossos, só que quatro vezes mais fortes do que os melhores ossos artificiais.

Agora eles substituíram o carbonato de cálcio por alumina e acrescentaram o polímero PMMA, para fazer as vezes das moléculas orgânicas da madrepérola. "Como a água do mar congela na forma de um material em camadas, nós permitimos que a natureza guiasse o processo por meio do qual nós conseguimos 'fundir por congelamento' uma cerâmica que imita a madrepérola," concluem os pesquisadores.

Cerâmica com metal

No próximo passo da pesquisa, os cientistas planejam elevar o teor de alumina - hoje de 85% - e selecionar um polímero ainda melhor. Eles também planejam estudar a substituição do polímero por um metal.

"O polímero é capaz apenas de permitir que as coisas escorreguem umas sobre as outras, mas não de suportar cargas. Infiltrar as camadas cerâmicas com metais poderá nos dar um lubrificante que também consiga lidar com a carga. Isso irá aumentar a dureza e a resistência do compósito," diz Ritchie.

Bibliografia:

Tough, Bio-Inspired Hybrid Materials
E. Munch, M. E. Launey, D. H. Alsem, E. Saiz, A. P. Tomsia, R. O. Ritchie
Science
5 December 2008
Vol.: 322. no. 5907, pp. 1516 - 1520
DOI: 10.1126/science.1164865




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