Nanomaterial bate recorde de uma bizarra e contra-intuitiva expansão

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/04/2024

Os materiais auxéticos "incham" quando esticados.
[Imagem: Giovanni Fanchini Lab/WesternU]

Estica e incha

Quando a maioria dos materiais é esticada em uma direção, eles encolhem perpendicularmente; e, quando compactados, expandem perpendicularmente. Lembre-se de um elástico ou de um balão de aniversário, que você estica até torná-lo muito fino, de modo a facilitar o esforço para enchê-lo.

Mas existe também uma família de materiais muito interessantes tecnologicamente, conhecidos como auxéticos (do grego antigo auxetos, que significa esticáveis), que se comportam de modo totalmente oposto a tudo o que você encontrará por aí: Esses materiais se expandem na perpendicular do puxão que recebem, ou encolhem quando são comprimidos.

Os físicos e engenheiros dos materiais acreditavam que esse comportamento inusitado seria sempre bem discreto. Por exemplo, até agora se conhecia apenas um material auxético que alcança uma expansão de 10% por unidade de comprimento quando é esticado.

Mas esse recorde acaba de ser detonado por pesquisadores da Universidade Oeste de Ontário, no Canadá, que descobriram um material auxético ultrafino - um nanomaterial - que pode se expandir em até 40% quando esticado, estabelecendo um novo recorde mundial.

O nanomaterial apresenta o efeito contra-intuitivo em escala atômica, e com um ganho adicional inesperado.
[Imagem: Giovanni Fanchini Lab/WesternU]

Aplicações dos materiais auxéticos

Existem inúmeras aplicações possíveis para um material auxético, incluindo dar memória física aos objetos. Contudo, as opções se tornaram ainda mais amplas com este novo recordista porque ele possui uma propriedade adicional valiosa: O novo nanomaterial torna-se mais eletricamente condutor quando é esticado.

Essa diminuição da resistência elétrica abre portas para amplas possibilidades de uso em coisas como sensores ou qualquer dispositivo projetado para detectar eventos ou mudanças no ambiente, e então enviar as informações para outros eletrônicos para processamento.

Por exemplo, a equipe cita um novo tipo de extensômetro. Esses medidores, disponíveis comercialmente, são uma forma padrão de medir a expansão e o estiramento em tudo, desde asas de aviões até encanamentos domésticos. "Imagine se você quiser saber se um cano da sua casa está deformando e corre o risco de estourar em algum momento. Você pode colocar no cano um sensor feito desse nanomaterial bidimensional e depois usar um computador para monitorar a corrente que passa por ele. Se a corrente aumentar, isso significa que o tubo está se expandindo e corre o risco de estourar," explicou o professor Noah Stocek.

Outra aplicação é incorporar o material diretamente em eletrônicos extensíveis, como tecnologia vestível, para que os tecidos eletrônicos tenham mais condutividade.

Instrumento de deposição de vapor de plasma projetado pela equipe para sintetizar o novo nanomaterial.
[Imagem: Mitch Zimmer/Western Science]

Carbeto de tungstênio

O material auxético recordista consiste em nanofolhas bidimensionais de semi-carbeto de tungstênio (ou W₂C), um composto químico formado por átomos de tungstênio e carbono.

O truque é que a estrutura da nanofolha em si não é plana. Os átomos são feitos de unidades repetidas que consistem em dois átomos de tungstênio para cada átomo de carbono, dispostos como a superfície ondulada de uma caixa de ovos. À medida que a tensão mecânica é aplicada através da nanofolha elástica em uma direção, ela se expande na outra dimensão, à medida que as depressões se achatam.

"Em 2018, os teóricos previram que o W₂C poderia apresentar este comportamento a um nível excelente, mas ninguém foi capaz de desenvolvê-lo, apesar das extensas tentativas de grupos de investigação em todo o mundo," contou Stocek. Isso porque o composto não pode ser criado usando meios químicos.

A equipe então lançou mão da física dos plasmas, uma "massa" de partículas carregadas considerada o quarto estado da matéria. Em vez de aquecer um gás feito de átomos de tungstênio e carbono em fornos, o que produziria partículas neutras, como se obtém para sólidos, líquidos ou gases, a equipe construiu um aparato especial para produzir um plasma composto de partículas eletricamente carregadas. Deu certo, e o material emergiu do plasma exatamente na estrutura prevista pelos teóricos.

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