Materiais autorreparáveis

Por Caroline Pereira Martendal – Dpto. De Engenharia Mecânica, UFSC 

Cofundadora do blog Engenheiro de Materiais

Figura 1: Autorreparo por adição de agentes reparadores. Adaptado de WHITE et al. (2001)

Materiais falham a todo o momento, seja por envelhecimento, desgaste, fadiga ou ação de defeitos concentradores de tensões. Exemplos desses concentradores são os furos nas sacolas plásticas, que fazem com que elas se rasguem mais facilmente, ou os vários poros que existem no interior de tijolos, que os fragilizam, tornando-os quebradiços. A ação humana é necessária para eventuais reparos, substituições ou medidas preventivas para evitar que um componente falhe. Se os materiais pudessem se reparar sozinhos, portanto, nossa vida seria simplificada. Pensando nisso, vários grupos de pesquisa ao redor do mundo iniciaram estudos sobre materiais autorreparáveis a partir dos anos 2000. Nos próximos parágrafos, serão apresentados quatro dos mecanismos eficazes de autorreparação que eles descobriram.

O primeiro mecanismo, a adição de agentes reparadores, é utilizado principalmente em resinas plásticas e em compósitos de matriz polimérica. Compósitos são uma mistura de materiais de naturezas diferentes, em que aquele que está em maior quantidade é chamado de matriz. O fato de ela ser polimérica significa que é composta por um material constituído de diversas moléculas pequenas, os monômeros, que se ligam entre si e formam estruturas maiores e mais complexas, como a madeira, o plástico e a borracha. O primeiro método de reparo consiste em dispersar nos materiais um catalisador em pó e pequenas cápsulas contendo um monômero líquido, que são, respectivamente, um acelerador de reações químicas e as unidades necessárias para formar um polímero por uma dessas reações químicas, a de polimerização. Quando há a formação de trincas, não somente a matriz é danificada, mas também algumas das cápsulas, o que faz com que o monômero seja liberado e ocupe toda a região da trinca. Assim, quando ele encontra o catalisador sólido, ocorre polimerização e a região danificada é preenchida completamente. A figura 1 resume o funcionamento desse mecanismo.

Uma segunda maneira de produzir materiais autorreparáveis é bastante inspirada na forma com que nosso próprio organismo se cura: levando o agente reparador até a região que precisa ser recuperada por meio de um sistema vascular. Esse mecanismo, assim como o anterior, é comumente utilizado para resinas e compósitos de matriz polimérica e promove o preenchimento das trincas por polimerização. Para que isso ocorra, é necessário criar dois sistemas vasculares que percorrem o material, um contendo uma resina líquida e o outro, um endurecedor líquido. Eles podem transitar nesses canais por um fluxo natural, conhecido por capilaridade, ou por bombeamento, que é a opção de maior eficácia. Essas substâncias, ao entrarem em contato, desencadeiam uma reação química e promovem o reparo da região danificada.

O terceiro método para um material se autorreparar é estimulando-o a retornar a sua forma inicial por ação térmica. Isso funciona para determinadas ligas metálicas, como ouro-cádmio, nitinol ou cobre-zinco, que possuem uma propriedade chamada memória de forma. Ela permite com que as ligas sejam deformadas permanentemente (deformação plástica) e quando aquecidas voltem instantaneamente à sua forma original. Uma forma de fazer isso é passando pelo interior do material uma rede de fibras ópticas dentro das quais circula um laser com energia elevada. No ponto de falha, o rompimento local das fibras deixa o laser sair e transmitir calor, aumentando a temperatura da região danificada. A memória de forma entra em ação e o dano é revertido pela eliminação da deformação plástica adquirida. O vídeo demostra o funcionamento da memória de forma.

Por fim, há uma classe de plásticos, conhecida como termoplásticos, que também pode ser reparada por meio de calor, mas não requer a elaboração de estruturas tão complexas. Esses materiais podem ser moldados com a temperatura, então se forem aquecidos e, ao mesmo tempo, for aplicada uma força externa sobre eles, as moléculas que compõem o plástico podem se rearranjar. Com essa movimentação das moléculas, chamada de difusão intermolecular, ocorre o desaparecimento da fratura. Para isso, basta manter o material por alguns minutos nessas condições de pressão e de temperatura.

Embora tenham trazido progresso em termos de facilidade de reparo de estruturas, as técnicas anteriores ainda possuem limitações. A adição de agentes reparadores, por exemplo, consegue autorreparar uma única vez, pois depois de rompida, a cápsula esvazia e não consegue agir novamente. Já a técnica de vascularização é lenta por envolver o deslocamento de fluidos por distâncias significativas, o que a torna ineficaz se a trinca crescer muito rápido. Assim é a ciência, um fluxo contínuo: cada nova descoberta gera novos desafios e, com eles, o progresso. A inspiração para a consolidação dos materiais autorreparáveis é um futuro com construções mais seguras, com máquinas e veículos que requerem menos manutenção e, de bônus, com carros batidos que não precisam ser arrumados em oficinas.

Para saber mais, acesse os artigos abaixo:

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