Tecnologia Científica

Pesquisador decifra o mecanismo de fortalecimento oculto em cerâmicas biológicas
Essa perspectiva é formada observando-se a capacidade dos blocos de construção minerais básicos na casca de antecipar fraturas, em vez de focar apenas na forma e na química da estrutura .
Por Virginia Tech - 06/01/2021


O estudante de graduação Zhifei Deng realiza testes nanomecânicos em um nanoindentador. Crédito: Virginia Tech

Ling Li, professor assistente de engenharia mecânica na Virginia Tech, descobriu como construir cerâmicas cada vez mais resistentes ao estudar as conchas de moluscos bivalves.

Essa perspectiva é formada observando-se a capacidade dos blocos de construção minerais básicos na casca de antecipar fraturas, em vez de focar apenas na forma e na química da estrutura . Os resultados das descobertas de seu grupo foram publicados na edição de 10 de novembro de 2020 da Nature Communications .

A equipe de Li conduziu uma análise aprofundada das estruturas microscópicas das conchas de moluscos de concha de caneta, bivalves nativos do Caribe. As conchas desses animais consistem em duas camadas, uma camada interna de nácar e uma camada externa de cor marrom. A camada interna de nácar, também conhecida como madrepérola, costuma ser iridescente devido à sua estrutura de camadas nanoscópicas regulares, semelhante ao mecanismo de coloração de muitas asas de mosca-garrafa.

A equipe de Li focou sua atenção na camada externa, que é composta de cristais de calcita em forma de prisma dispostos em um padrão de mosaico. Entre os cristais minerais adjacentes, interfaces orgânicas muito finas (aproximadamente 0,5 micrômetros, menos de um centésimo do tamanho de um cabelo humano) estão presentes que colam os cristais. Os cristais de calcita medem aproximadamente meio milímetro de comprimento e 50 micrômetros de diâmetro, assemelhando-se a prismas alongados.

Ao contrário de muitos cristais geológicos ou sintéticos, onde os átomos dentro de seus grãos cristalinos estão perfeitamente organizados de forma periódica, os cristais de calcita nas cápsulas de caneta contêm muitos defeitos nanoscópicos, principalmente compostos de substâncias orgânicas.

Micrografias eletrônicas de varredura dos cristais de calcita biológicos (à esquerda)
e geológicos (à direita) após terem sido recortados com uma ponta de diamante afiada sob
a mesma quantidade de força (0,5 N). Observe que o padrão de dano nos cristais de calcita
biológica encontrados nas conchas da caneta é altamente localizado e muito menor do
que na calcita geológica (aproximadamente 40 μm vs. 100 μm).
Crédito: Virginia Tech

“Você pode considerar a cerâmica biológica, neste caso os cristais de calcita das conchas de caneta, como uma estrutura composta, onde muitas inclusões nanométricas são distribuídas dentro de sua estrutura cristalina”, disse Li. "Isso é especialmente notável porque o próprio cristal de calcita ainda é um único cristal."

Normalmente, a presença de defeitos estruturais significa um local de falha potencial. É por isso que a abordagem normal é minimizar as descontinuidades estruturais ou concentrações de tensões em estruturas de engenharia. No entanto, a equipe de Li mostra que o tamanho, espaçamento, geometria, orientação e distribuição desses defeitos em nanoescala dentro do biomineral são altamente controlados, melhorando não apenas a resistência estrutural, mas também a tolerância a danos por meio de rachaduras e fraturas controladas.
 
Quando essas cascas são submetidas a uma força externa, o cristal minimiza o escoamento plástico impedindo o movimento de deslocamento, um modo comum de deformação plástica em calcita pura, auxiliado por esses defeitos nanoscópicos internos. Este mecanismo de reforço tem sido aplicado em muitas ligas metálicas estruturais, como a liga de alumínio.

Além de adicionar resistência, esse projeto permite que a estrutura use seus padrões de rachaduras para minimizar os danos ao revestimento interno. O padrão de intertravamento em mosaico dos cristais de calcita na camada do prisma contém ainda danos em grande escala quando a força externa é espalhada pelos cristais individuais. A estrutura é capaz de rachar para dissipar a energia de carga externa sem falhar.

"Claramente, esses defeitos nanoscópicos não são uma estrutura aleatória, mas, em vez disso, desempenham um papel significativo no controle das propriedades mecânicas desta cerâmica natural", disse Li. "Por meio dos mecanismos descobertos neste estudo, o organismo realmente transforma a calcita originalmente fraca e quebradiça em uma armadura biológica forte e durável. Estamos agora experimentando possíveis processos de fabricação, como a impressão 3-D, para implementar essas estratégias para desenvolver compósitos de cerâmica com propriedades mecânicas aprimoradas para aplicações estruturais. "

 

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