Estudo ajuda a entender a resposta mecânica de molas nanoscópicas

Material poderá vir a ser utilizado para atenuar impactos na área aeroespacial

Quando nanotubos de carbono – que têm diâmetros cerca de cem mil vezes menores que um fio de cabelo – são alinhados lado a lado como numa floresta de eucaliptos, dão origem a um tipo de esponja capaz de proteger objetos de impactos mecânicos. Pesquisadores de universidades americanas e suíças demostraram essa capacidade analisando os efeitos de impacto causados em ovos protegidos, na área de impacto, por esponjas constituídas de materiais poliméricos e por nanotubos de carbono. 

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A ilustração mostra as diferenças dos efeitos de impactos em ovos protegidos por esponjas poliméricas e de nanotubos, quando lançados de uma altura de 0,5 m.

Para entender as respostas mecânicas desses tipos de “florestas”, diferentes modelos físicos têm sido propostos. Esses modelos levam em conta diversas características desses materiais nanoscópicos e tentam prever suas propriedades, além de otimizar seus efeitos. Posteriormente, foram desenvolvidos materiais com molas nanoscópicas de carbono em substituição aos nanotubos retos. Constatou-se então que as esponjas assim constituídas tinham capacidade 50% maior de absorver impactos. Entretanto, para estas “florestas” formadas por nanomolas ainda não existiam modelos físicos que permitissem simular computacionalmente suas características, comportamentos e propriedades mecânicas e que pudessem inclusive contribuir para o descobrimento de novas propriedades.

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A ilustração mostra nanotubos de carbono nos formatos reto e helicoidal e dois modelos para “florestas” de nanotubos helicoidais

Diante disso, o físico Vitor Rafael Coluci, professor da Faculdade de Tecnologia (FT) da Unicamp, sediada em Limeira, propôs à sua aluna de mestrado Vanessa C. Scheffer, graduada em matemática e computação, o desenvolvimento de um modelo que considerasse a estrutura helicoidal das nanomolas e tivesse a capacidade de reproduzir os principais mecanismos de deformação desses arranjos. O modelo desenvolvido, que considerou também o emaranhamento entre molas vizinhas, permitiu descrever com grande aproximação as deformações e as reações aos impactos observadas em laboratório por pesquisadores de outros países. Além de outros usos, esses materiais poderão vir a ser utilizados na área aeroespacial.

Vanessa apresentou parte do trabalho, enquanto vinha sendo desenvolvido, no XV Brazsil MRS Meeting, organizado por equipe de professores da Unicamp, realizado em Campinas em 2016, recebendo o Prêmio Bernhard Gross e prêmio da American Chemical Society. O Brazil MRS-Meeting é organizado pela SBPMat - Sociedade Brasileira de Pesquisas em Materiais - e é a versão brasileira do grande evento da Materials Research Society sobre materiais realizado anualmente nos EUA. O Prêmio Bernhard Gross, instituído pela SBPMat, que homenageia um dos pioneiros na pesquisas em materiais no Brasil, tem a finalidade de promover e reconhecer a participação de jovens no estudo e tecnologia de materiais, selecionando os melhores trabalhos de estudantes de graduação e pós-graduação apresentados em encontros anuais da sociedade. Depois de concluído, o trabalho deu origem a artigo publicado, em janeiro de 2018, em colaboração com o professor Ramathasan Thevamaran, da University of Wisconsin-Madison, na revista Applied Physics Letters, a mais citada no ano passado na área de física aplicada.

 

O caminhar

O docente lembra que se envolveu nesses estudos há cerca de dez anos, na época do pós-doutorado, quando trabalhou apenas com modelos matemáticos, sem considerar simulações. Com a chegada de sua orientanda, resolveu retomar os trabalhos e ampliá-los utilizando exclusivamente os equipamentos e recursos computacionais disponíveis em sua unidade e que tinham sido montados e desenvolvidos por ele ao longo dos anos.

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O físico Vitor Rafael Coluci, orientador da pesquisa: descrevendo as deformações e as reações aos impactos observadas em laboratório por pesquisadores de outros países

Inicialmente, Vanessa adotou para o estudo do comportamento da compressão os chamados modelos atomísticos, que considera, a exemplo da realidade, as molas formadas por cadeia de átomos. Mas, como essa modelagem se revelou muito dispendiosa e demandaria muito tempo, os pesquisadores decidiram por modelar não mais os átomos individualmente, mas um conjunto de átomos que representasse um pedaço das nanomolas.

Esse modelo permitiu simular, numa escala maior (mesoescala), o comportamento mecânico do material, permitindo extrair dele a força de resposta à compressão. O docente esclarece: “Pretendíamos chegar a um modelo que incorporasse as características principais dessas ‘florestas’ helicoidais e que permitisse determinar quanto esse formato influenciava a resposta ao impacto. Uma dessas características era quão próximas estavam molas vizinhas, o que ainda não havia sido estudada sistematicamente, dada a complexidade do emaranhamento”.

A ideia foi chegar a um modelo computacional que antecedesse ao experimento, o que é muito mais rápido e barato, para depois estudar as condições que viabilizem as obtenções dos materiais.

O professor Coluci considera que a próxima etapa destes estudos, em nível de doutorado e utilizando o método dos elementos finitos, será o desenvolvimento de um modelo capaz de simular também o crescimento dessas estruturas para maior compreensão do comportamento dessas “florestas” de nanomolas.

 

 

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O professor Vitor Rafael Coluci, orientador do trabalho | Foto: Antoninho Perri