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Materiais Avançados

Madeira com grafite supera titânio e fibras de carbono

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/01/2020

Madeira com grafite supera titânio e fibras de carbono
O compósito de grafite-celulose, que lembra a estrutura de tijolo e argamassa, é mais forte do que o aço. As fibras de nanocelulose (em verde) servem como argamassa que une os tijolos, que são flocos de grafite com tamanho de 100 micrômeros (em cinza).
[Imagem: Yubing Zhou et al. - 10.1021/jacs.9b09009]

Madeira funcional

Um material que combina o humilde grafite com a não menos simples celulose da polpa de madeira mostrou ser mais leve e mais forte do que materiais estruturais largamente utilizados, incluindo aços, ligas de titânio e fibras de carbono.

Além de extremamente forte, o novo material estrutural, feito com grafite e nanocelulose, é reciclável, o que promete fornecer uma alternativa ecológica para a construção de veículos, aeronaves e coletes de segurança mais leves.

"A madeira e os materiais derivados [da madeira] têm muito a oferecer," disse o professor Liangbing Hu, da Universidade de Maryland, nos EUA, observando que os materiais à base de celulose são recicláveis, biocompatíveis e biodegradáveis.

"Essas são propriedades fantásticas, mas, para tornar esses materiais bem-sucedidos, precisamos mostrar que o desempenho deles é superior ao dos materiais tradicionais," acrescentou ele.

Tipos de ligações químicas

Os materiais estruturais devem sua força e resistência à presença de fortes ligações químicas primárias entre seus átomos: ligações metálicas nos metais e ligas metálicas, ligações covalentes carbono-carbono nas fibras de carbono e ligações iônicas na cerâmica.

A força dessas ligações, no entanto, é tanto uma bênção quanto uma maldição: Para manipular, fabricar e reciclar esses materiais, essas ligações devem ser quebradas e reformadas, o que exige altas temperaturas e consome grandes quantidades de energia, levando a um custo substancial e a uma pegada ambiental pesada.

A estratégia adotada por Hu e seus colegas aproveita as ligações químicas secundárias, como as ligações de hidrogênio, que são abundantes em materiais orgânicos como a nanocelulose. Embora a energia necessária para criar ou quebrar uma ligação individual de hidrogênio seja muito menor do que a de uma ligação química primária, as redes dessas ligações podem tornar um material extremamente forte.

Madeira com grafite supera titânio e fibras de carbono
Etapas de produção da "madeira com nanotecnologia", que superou aço, titânio e fibras de carbono.
[Imagem: Yubing Zhou et al. - 10.1021/jacs.9b09009]

Madeira com nanotecnologia

Neste novo material, a equipe aproveitou essas ligações para "grudar" a celulose no grafite, que é duro, mas quebradiço demais para ser usado em estruturas de suporte de carga, uma deficiência que a madeira supre naturalmente nas árvores.

Para fabricar um compósito de grafite-nanocelulose, a equipe preparou uma pasta altamente concentrada de água, flocos de grafite e nanocelulose a temperatura ambiente. Em seguida, essa mistura foi dispersa em camadas com 20 micrômetros de espessura. As camadas são flexíveis, podendo ser dobradas até um raio de 2 mm sem se quebrar, e várias camadas podem ser prensadas a quente para formar folhas mais espessas.

As medições mecânicas mostraram que o material é excepcionalmente forte. As folhas são mais resistentes do que o aço inoxidável e 6 vezes mais leves. A resistência específica do material (a força dividida pela densidade do material) é superior à dos materiais utilizados em aplicações estruturais, como aços, ligas de alumínio e ligas de titânio.

Esta é apenas a mais recente novidade do grupo do professor Hu, cuja equipe já criou uma madeira que gera eletricidade sem queimar, uma madeira à prova de balas, uma madeira antichama, uma esponja de madeira e até uma madeira transparente para iluminação de interiores.

Bibliografia:

Artigo: Decoupling Ionic and Electronic Pathways in Low-Dimensional Hybrid Conductors
Autores: Yubing Zhou, Chaoji Chen, Xin Zhang, Dapeng Liu, Lisha Xu, Jiaqi Dai, Sz-Chian Liou, Yilin Wang, Claire Li, Hua Xie, Qingyun Wu, Bob Foster, Teng Li, Robert M. Briber, Liangbing Hu
Revista: Journal of the American Chemical Society
Vol.: 141, 44, 17830-17837
DOI: 10.1021/jacs.9b09009






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