Em 1880, o matemático alemão Karl Hermann Amandus Schwarz (1843-1921) idealizou estruturas com geometrias complexas, em que as superfícies são mínimas e periódicas (com padrões que se repetem) e com curvatura negativa, como as de uma sela de cavalo.

Mais de 100 anos depois, em 1991, o físico mexicano Humberto Terrones e o químico inglês Alan Mckay propuseram que a inclusão de anéis de carbono com mais de seis átomos em uma malha hexagonal de grafite poderia dar origem a estruturas periódicas com curvatura negativa, como as que Schwarz imaginou, e semelhante à dos zeólitos – minerais com estrutura porosa e tridimensional.

Essas estruturas cristalinas esponjosas, denominadas schwarzitas por Terrones e Mckay, em homenagem ao matemático alemão, poderiam ter centenas de átomos e células porosas e dar origem a materiais rígidos semelhantes à espuma, com características e propriedades mecânicas e eletromagnéticas incomuns. Essas estruturas, contudo, só existiam em teoria.

Agora, um grupo de pesquisadores do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp), vinculado ao Centro de Engenharia e Ciências Computacionais (CECC) – um dos Centros de Pesquisa, Inovação e Difusão (CEPIDs) financiados pela FAPESP –, conseguiu, em colaboração com colegas da Rice University, dos Estados Unidos, encontrar uma maneira prática de gerar esses materiais em escala real.

A técnica para construção e os resultados de experimentos de avaliação da resistência dos materiais à compressão e ao impacto foram descritos na revista Advanced Materials. “Conseguimos gerar em escala macroscópica materiais que só existiam em escala atômica”, disse Douglas Galvão, professor do IFGW-Unicamp e um dos autores do estudo, à Agência FAPESP.

Para obter o material, os pesquisadores projetaram inicialmente, por meio de algoritmos computacionais, modelos em escala atômica de estruturas porosas de duas famílias diferentes de schwarzitas, a primitiva e a giromana.

Os modelos moleculares da família primitiva continham 48 e 192 átomos por unidade de célula, respectivamente, enquanto os modelos da família giromana tinham 96 e 384 átomos. As estruturas possuíam superfícies mínimas periódicas, conforme as que foram concebidas originalmente por Schwarz.

Os dados das quatro estruturas moleculares foram compilados por um software de modelagem computacional, em modelos tridimensionais. Os modelos foram impressos em polímero, na forma de cubos e na escala de centímetros de comprimento, por impressoras 3D.

“A ideia foi desenvolver um material com propriedades exóticas, como a schwarzita, em escala atômica, construir um modelo em macroescala a partir dele e imprimir essa estrutura em escala real, por meio de uma impressora 3D, para verificar se ele mantém essas propriedades, como a de altíssima resistência”, explicou Galvão.

Testes de resistência

Os pesquisadores avaliaram a resistência à compressão e ao impacto mecânico tanto das estruturas em nível atômico – por simulação –, como dos modelos impressos em 3D.

Os resultados indicaram que as estruturas apresentam alta resistência ao impacto e à compressão mecânica em nível atômico e em macroescala, devido a um mecanismo de deformação em camadas.

Ao aplicar força em um lado do material, ele se deforma lentamente e de forma não homogênea. Isso porque os poros das camadas mais altas, que sofrem mais diretamente a pressão, se fecham primeiro e, na sequência, fecham os abaixo deles.

“Esse mecanismo de deformação do material é muito semelhante ao das conchas marinhas, que tem uma matriz mineral, composta por calcita, e uma camada de proteínas que absorve pressões extremas, sem fraturar, ao transferir o estresse em todas as suas estruturas”, disse Galvão.

“O que é interessante no caso das estruturas de schwarzitas que geramos é que elas são compostas de apenas um material – o polímero PLA, usado em impressoras 3D –, e não dois, como as conchas, que têm a matriz mineral e a parte orgânica juntas”, ressaltou.

Os resultados dos ensaios também mostraram que as estruturas de schwarzitas apresentam uma resiliência notável sob compressão mecânica. Elas podem ser reduzidas à metade do seu tamanho original antes de apresentar falha estrutural (fratura).

Os testes indicaram que a carga aplicada foi transferida para toda a geometria das estruturas, independentemente de qual lado foi comprimido, tanto nas simulações das estruturas em nível atômico como nos modelos impressos.

“Nos surpreendeu que algumas características das estruturas em escala atômica foram preservadas nas estruturas impressas em 3D”, disse Galvão, que estuda nanoestruturas por meio de simulações computacionais de dinâmica molecular.

A característica do material que mais surpreendeu os pesquisadores, entretanto, foi a resistência mecânica. Ao soltar quase 10 quilogramas do material a uma altura de 1 metro ele não quebrou.

“Estamos analisando agora outra família de schwarzita, com estrutura muito parecida com a do diamante. Os resultados são ainda mais impressionantes. Não foi possível quebrar o material com as máquinas para testes de resistência disponíveis no CNPEM [Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais]. Essa alta resistência do material é proporcionada por sua topologia”, disse Galvão.

Resistente e complexo

Algumas das possíveis aplicações das estruturas de schwarzitas geradas pelos pesquisadores são em proteção balística – em coletes à prova de bala – e em componentes resistentes a impactos e altas cargas para edifícios, carros e aeronaves.

“Como é um polímero, não sabemos se, ao ser usado em um colete à prova de bala, o calor de uma bala poderia fundi-lo localmente. Pretendemos realizar ensaios para verificar isso”, disse Galvão.

Os pesquisadores pretendem agora refinar as superfícies das estruturas com impressoras 3D de maior resolução e reduzir a quantidade de polímero para tornar os blocos ainda mais leves. Outra ideia é utilizar materiais cerâmicos e metálicos em maior escala, e não somente na forma de blocos, para construir estruturas ultraduras.

“Temos uma receita, agora, para buscar na literatura estruturas interessantes, em escala atômica, e que nunca foram sintetizadas por sua complexidade, e criar modelos delas em macroescala”, avaliou Galvão.

O vídeo sobre o processo de construção das estruturas de schwarzitas pode ser visto em http://www.youtube.com/watch?v=VBFMYwys3k8&feature=youtu.be (a seguir).

O artigo Multiscale geometric design principles applied to 3D printed schwarzitas (doi: 10.1002/adma.201704820), de Seyed Mohammad Sajadi, Peter Samora Owuor, Steven Schara, Cristiano F. Woellner, Varlei Rodrigues, Robert Vajtai, Jun Lou, Douglas S. Galvão, Chandra Sekhar Tiwary e Pulickel M. Ajayan, pode ser lido na revista Advanced Materials em onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704820/abstract.