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Nova descoberta em exoesqueletos de animais leva a avanços na concepção de materiais de construção

por Taina Bueno

Em um artigo publicado na revista científica Nature Communications, o professor Wenhui Duan, do Departamento de Engenharia Civil da Universidade Monash, Austrália, diz que o novo padrão, somando-se aos oito padrões de projeto estrutural biológicos conhecidos e comuns, pode adicionar um padrão de design de alta resistência a materiais de construção comumente usados, como compósitos e cimento, e pode também ajudar a reduzir as emissões de carbono.

A equipe de pesquisa replicou o design encontrado na natureza ao cimento, um dos materiais de construção mais consumidos no mundo.

Eles adotaram uma técnica de impressão 3D combinada com nanotecnologia e inteligência artificial para fabricar um composto de cimento leve que adotou o padrão de design segmentado, demonstrando uma capacidade de carga superior e um padrão de falha progressivo exclusivo.

“Demonstramos a aplicação deste design na produção de um material de cimento leve de alta resistência e tolerante a danos. Além disso, esse design também pode ser aplicado a vários materiais, como cerâmica, vidro, materiais poliméricos e metálicos para design de materiais avançados, energia armazenamento/conversão e estruturas arquitetônicas, em colaboração com as equipes da Universidade de Queensland e da Universidade de Manchester”, diz o professor Duan.

Desde a descoberta da estrutura helicoidal em 1972, um dos padrões estruturais mais comuns na biologia, tem havido um esforço para extrair padrões de design de mais de 7 milhões de espécies vivas no mundo para ajudar na fabricação de materiais estruturais.

Após quase 50 anos de pesquisa, repetições notáveis ​​foram confirmadas na maioria das classes de espécies, mas apenas oito categorias de padrões de design foram extraídas e adotadas em design de materiais, até agora.

Em A, B e C : padrão segmentar inspirado na estrutura do exoesqueleto dos artrópodes, com foco na estrutura da perna. D e E: modelo cinemático da estrutura sob compressão antes e depois da rotação do segmento. Cada padrão de design contém dois tipos de material: material rígido e forte (cinza) proporcionando resistência e material macio (amarelo) melhorando a resistência e a flexibilidade. F: comparação do padrão segmentado inspirado com padrões de desenho na literatura, incluindo sutura, em camadas, padrões helicoidais e sobrepostos. Fonte: Wang e colaboradores, 2022.

A nova estrutura de design foi identificada em várias espécies, como os exoesqueletos de artrópodes (como o exemplo da cigarra trocando seu exoesqueleto do início deste post), além de pernas de mamíferos, anfíbios e répteis.

Esses padrões de design são fontes valiosas de inspiração para o design de materiais modernos e auxiliam na fabricação de material estrutural.

“Comparado com o motivo de projeto atual, nosso motivo de projeto segmentar dissipa a energia pela rotação do segmento. A beleza do padrão de projeto descoberto é que o material pode exibir um comportamento de falha progressiva periódica única. Isso significa que podemos conter o dano dentro de uma determinada região de material, enquanto o resto da estrutura ainda pode manter a integridade e a maior parte (cerca de 80%) da capacidade de carga.”

Fontes:

New discovery in animal exoskeletons leads to advances in designing construction materials. Science Daily. Abril, 2022.

Wei Wang, Shu Jian Chen, Weiqiang Chen, Wenhui Duan, Jia Zie Lai, Kwesi Sagoe-Crentsil. Damage-tolerant material design motif derived from asymmetrical rotation. Nature Communications, 2022.

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