Os materiais sintéticos imitam as conchas para melhorar a absorção de energia

Milhões de anos de evolução permitiram que alguns animais marinhos cultivassem conchas de proteção complexas compostas por múltiplas camadas que trabalham juntas para dissipar o estresse físico. Em um novo estudo, os engenheiros encontraram uma maneira de imitar o comportamento desse tipo de materials em camadas, como o NACRE de concha, programando camadas individuais de materials sintético para trabalhar colaborativamente sob estresse. O novo design de materials está pronto para aprimorar sistemas de absorção de energia, como bandagens vestíveis e pára-choques de carros com respostas de vários estágios que se adaptam à gravidade da colisão.

Muitos estudos anteriores se concentraram na engenharia reversa para replicar o comportamento de materiais naturais, como osso, penas e madeira, para reproduzir suas respostas não lineares ao estresse mecânico. Um novo estudo, liderado pelo professor de engenharia civil e ambiental da Universidade de Illinois Urbana-Champaign e o professor Ole Sigmund, da Universidade Técnica da Dinamarca, procurou além da engenharia reversa para desenvolver uma estrutura para materiais multicamadas programáveis ​​capazes de responder a distúrbios locais por meio de interconeições em microescala.

Os resultados do estudo são publicado no diário Avanços científicos.

“Este trabalho nasceu de uma discussão com meu colaborador, professor Sigmund, sobre como já podemos alcançar alguns comportamentos muito extremos, mas sempre há um limite físico ou um limite superior que materiais únicos podem alcançar, mesmo com a programação”, disse Zhang. “Isso nos levou a considerar que tipo de engenharia poderia permitir que alguns dos comportamentos materiais malucos necessários na vida actual. Por exemplo, comportamentos extremos de flambagem podem ajudar a dissipar energia para coisas como pára -choques de carros”.

Foi quando a equipe voltou sua atenção para Materiais Biológicos Com várias camadas que servem a um propósito diferente e como elas poderiam fabricar um materials sintético e usar programação e otimização internas de microescala para controlar sua resposta ao estresse e tensão mecânica.

“Atingimos a idéia de projetar materiais multicamadas, com cada camada capaz de exibir diferentes propriedades e comportamentos”, disse Zhang.

Mas não parando por aí, a equipe se esforçou para incluir a capacidade de camadas individuais de colaborar para se comportarem coletivamente como uma.

“Nossa nova estrutura apresenta várias vantagens sobre as metodologias existentes para respostas não-lineares de tensão-deformação”, disse Zhang. “Ele otimiza múltiplas camadas semelhantes a nacre, juntamente com suas interconexões em uma configuração contínua, o que expande significativamente o espaço de design em comparação com trabalhos semelhantes envolvendo uma configuração de camada única ou estruturas de treliça”.

Durante a fabricação, a equipe aprendeu algumas lições. A idéia teórica por trás deste trabalho é ter um materials infinitamente periódico. Ainda assim, a equipe deve fabricar unidades finitas, e period de se esperar que o materials teórico e o materials fabricado actual exibissem comportamentos diferentes.

“A discrepância que encontramos é algo que sempre acontecerá na vida actual”, disse Zhang. “Mas podemos aproveitar essas informações para programar intencionalmente a sequência da flambagem de cada uma das células individuais na montagem, armazenar algumas informações dentro e, mais tarde, podemos decodificar as informações. Foi fascinante capturar essa discrepância e acabar fornecer informações necessárias para melhorar o trabalho”.

Ainda há muito trabalho a ser feito para ampliar a fabricação para esse tipo de materials, mas Zhang disse que uma coisa valiosa aprendida neste estudo é que, quando as pessoas colaboram, elas alcançam coisas muito maiores.

“Acho que funciona da mesma forma para os materiais”, disse Zhang. “Quando diferentes materiais trabalham coletivamente juntos, eles podem fazer coisas muito mais impactantes do que se fizerem as coisas individualmente”.