Madeira metálica começa a ser fabricada em dimensões práticas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/06/2021

Esta tira de madeira metálica, com cerca de 2,5 cm de comprimento, é mais fina do que uma folha de alumínio doméstico, mas suporta mais de 50 vezes seu próprio peso sem ceder.
[Imagem: Penn Engineering]

Metal poroso como madeira

Engenheiros da Universidade da Pensilvânia, nos EUA, ficaram famosos em 2019 ao anunciar o que eles chamam de madeira metálica, um material forte como titânio, mas cinco vezes mais leve.

Assim como uma árvore pode crescer até dezenas de metros e ainda manter-se capaz de flutuar na água, a madeira metálica é composta por uma rede de minúsculas barras de níquel, o que lhe dá poros do tamanho de células que diminuem radicalmente sua densidade sem sacrificar a resistência.

Zhimin Jiang e James Pikul conseguiram agora finalmente resolver o maior problema que impedia que essa espuma metálica altamente promissora fosse fabricada em larga escala: Eles conseguiram eliminar as chamadas "rachaduras invertidas", um tipo de defeito que tem atormentado materiais semelhantes por décadas.

A prevenção desses defeitos permitiu que a equipe fabricasse tiras de madeira metálica 20.000 vezes maiores do que antes.

O segredo da madeira metálica está em seus nanoporos muito homogêneos, que lembram a madeira.
[Imagem: Penn Engineering]

Rachaduras invertidas

Quando uma rachadura se forma dentro de um material comum, as ligações entre seus átomos se rompem, eventualmente separando o material. Uma rachadura invertida, por sua vez, consiste em um excesso de átomos. No caso da madeira metálica, as rachaduras invertidas consistem em átomos extras de níquel que preenchem os nanoporos essenciais para suas garantir as propriedades únicas do material.

Essas rachaduras invertidas decorrem da forma como a espuma metálica é feita. Tudo começa com um modelo de esferas em nanoescala, empilhadas umas sobre as outras como laranjas no supermercado. Quando o níquel é derramado nesse molde, ele forma uma estrutura de rede metálica similar à madeira ocupando os espaços ao redor das esferas. Finalmente, essas esferas são dissolvidas e resta a estrutura metálica porosa.

O problema ocorre quando há defeitos no padrão de empilhamento ou nas próprias esferas, o que não é difícil de acontecer em se tratando de estruturas na escala dos nanômetros. Nestes casos, o níquel preenche essas lacunas, produzindo uma fenda invertida quando o molde é removido.

"O método padrão de produzir esses materiais é começar com uma solução de nanopartículas e evaporar a água até que as partículas estejam secas e regularmente empilhadas. O desafio é que as forças superficiais da água são tão fortes que rasgam as partículas e formam rachaduras, assim como rachaduras que se formam na areia que seca.

"Então, desenvolvemos uma nova estratégia que nos permite automontar as partículas enquanto mantemos o molde úmido. Isso evita que os filmes rachem, mas, como as partículas estão úmidas, temos que travá-las no lugar usando forças eletrostáticas para que possamos preencher [os espaços] com metal," explicou o professor Pikul.

Demonstração das propriedades fotônicas da madeira metálica.
[Imagem: Zhimin Jiang et al. - 10.1038/s41563-021-01039-7]

Madeira brilhante

O espaçamento preciso dos poros da madeira metálica lhe dá não apenas a resistência do titânio em uma fração do peso, mas também proporciona propriedades ópticas únicas.

Como os espaçamentos entre as colunas de níquel têm dimensões similares aos comprimentos de onda da luz visível, a luz refletida na madeira metálica interfere para realçar cores específicas. Essas mudanças de cor, baseadas no ângulo que a luz reflete na superfície, dão-lhe não apenas uma aparência deslumbrante, como abrem caminho para aplicações em fotônica, incluindo o uso como sensor.

Com a possibilidade de construir tiras maiores e mais uniformes de madeira metálica, a equipe já está de olho nas aplicações práticas. "Pretendemos usar esses materiais para fazer uma série de dispositivos antes impossíveis, sendo que já os estamos usando como membranas para separar biomateriais em diagnósticos de câncer, revestimentos protetores e sensores flexíveis," disse Pikul.

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