Materiais ultrafortes e superleves: seria possível utilizar nanoestruturas para proteção balística?

Por Keli F. Seidel, Universidade Tecnológica Federal do Paraná – UTFPR

Não é nenhuma novidade científica falar que diferentes estruturas do carbono são capazes de formar materiais extremamente duros e/ou resistentes. Podemos começar com o velho exemplo da comparação entre o grafite (aquele do seu lápis mesmo) e o diamante. Ambos são formados por átomos de carbono que diferem na posição (tipo de ligação) em que esses átomos se agrupam resultando propriedades completamente diferentes ao material.

Recentemente, outras estruturas de carbono ganharam grande atenção não apenas por propriedades de rigidez, mas também devidos a suas propriedades óticas e de condutividade que trouxeram muitos avanços em dispositivos optoeletrônicos (transistores, LEDs, etc). São exemplo dessas estruturas, os nanotubos de carbono, desde os anos 90, e o grafeno, a partir do ano 2000. O grafeno é uma fina folha formada por apenas átomos de carbono com estrutura reticulada hexagonal enquanto o nanotubo de carbono é resultante do enrolamento de uma (ou mais) folha(s) de grafeno formando um tubo. Dentre vários trabalhos já publicados nesta área, um desses, coordenado por pesquisadores brasileiros e publicado na renomada revista Scientific Reports (clique aqui para acessar o artigo), mostra cálculos teóricos comparados a resultados experimentais de testes balísticos em folhas de grafeno. Os resultados das simulações foram capazes de quantificar padrões de rompimento das folhas de grafeno, quando sofrem os impactos balísticos, trazendo uma melhor compreensão para possíveis aplicações desses materiais em proteção balística. Como já mostrado na literatura, se compararmos uma folha de grafeno com uma hipotética folha de aço de mesma espessura, a folha de grafeno teria 100 vezes mais resistência. Portanto, o grafeno tem grande potencial de aplicação em situações que necessitem materiais leves e com alta resistência mecânica.

Figura 1: Estruturas schwarzitas (simulações) e a deformação ocorrida em uma das estruturas (experimental). Acesse fonte original, clicando aqui.

Mas as curiosidades destas nanoestruturas de carbono podem ir ainda além. Em 1990, um trabalho teórico simulou propriedades para uma estrutura hipotética de folhas de carbono com curvaturas negativas denominada “schwarzita” (Figura 1). Esse nome homenageia o físico alemão Hermann Schwarz que hipotetizou esta estrutura, em 1880. Resultados teóricos mostraram que essa estrutura é capaz de gerar materiais com propriedades eletrônicas, magnéticas, óticas e de rigidez únicas e de extrema importância para produção de dispositivos com melhor eficiência (como em supercapacitores, eletrodos de bateria e catalisadores, etc.). Contudo, mesmo com resultados teóricos tão satisfatórios, até os dias atuais os pesquisadores não conseguiram criar em laboratório a schwarzita com átomos de carbono, permanecendo ainda como um desafio para a ciência.

Porém, nunca podemos subestimar a capacidade de cientistas. Não satisfeitos com a impossibilidade de criação experimental desta nanoestrutura, pesquisadores da Universidade de Rice e da Universidade de Campinas decidiram testar as propriedades de rigidez deste material produzindo estas estruturas através da impressora 3D, cujo trabalho foi publicado na revista Advanced Materials (clique aqui para acessar o artigo original). Para isso foram construídos pequenos blocos de plástico com a estrutura porosa e cristalina das schwarzitas, ou seja, blocos em escala macroscópica. Resultados teóricos mostraram que em escala atômica (nanoscópica), esses materiais podem ser muito fortes e o intuito foi verificar se estas propriedades permanecem as mesmas quando a estrutura é produzida em escala macroscópica. Assim, após imprimir blocos utilizando polímero/plástico em uma impressora 3D, os mesmos foram submetidos à uma carga mostrando que suas propriedades permanecem as mesmas das simuladas em escala microscópica. Os resultados foram impressionantes, sendo possível visualizar a deformação das camadas destas estruturas de forma organizada que pode ter seus tamanhos reduzidos à metade sem apresentar grandes fraturas. Assim, pequenos blocos de polímero, que se quebrariam facilmente se tivessem estrutura “maciça”, passam a ser super-resistentes se tiverem estrutura schwarzita. Esses resultados provam que tais estruturas mostram-se muito promissoras para serem aplicadas como estruturas superfortes e muito leves. Seriam esses materiais a nova geração para construir para-choques mais seguros para os carros ou coletes balísticos mais leves?

Para saber mais, acesse os artigos originais: