Esferas macias tornam meios porosos mais rgidos

Mecnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 03/07/2023

As propriedades mecnicas efetivas de materiais compostos por esferas moles e rgidas foram investigadas usando ondas ultrassnicas e raios X.
[Imagem: Taghizadeh et al. – 10.1073/pnas.2219999120]

Rigidez versus elasticidade

A anlise da composio exata de materiais heterogneos e porosos, como concreto ou asfalto, e a influncia das partculas formadoras nas propriedades mecnicas dos materiais resultantes, desempenha um papel extremamente importante em vrias aplicaes tcnicas.

Por exemplo, quando um material compsito consiste em uma matriz de polmero macio reforada com fibras de reforo rgidas – um dos materiais estado da arte em aplicaes de ponta – a rigidez elstica efetiva do material compsito pode ser aumentada aumentando o teor de fibra.

Isso faz muita diferena, das aplicaes aeroespaciais construo civil, onde preciso encontrar um equilbrio adequado entre rigidez e flexibilidade, para proteger os prdios contra terremotos, por exemplo.

Para adaptar esses materiais aos requisitos de aplicao especficos, contudo, necessrio conhecer a proporo exata da mistura e o comportamento efetivo do material resultante.

Ao estudar exatamente isso, Kianoosh Taghizadeh e seus colegas das universidades de Stuttgart (Alemanha) e Twente (Pases Baixos) tiveram uma surpresa, mostrando que obter um equilbrio entre rigidez e flexibilidade mais complicado do que parecia.

At uma combinao especfica, a adio de esferas moles aumenta a rigidez do material total.
[Imagem: Uli Regenscheit/University of Stuttgart]

Contra as regras

Os pesquisadores primeiro prepararam embalagens esfricas e as encheram com diferentes propores de esferas de mesmo tamanho, s que algumas feitas de vidro (rgidas) e outras de borracha macia (flexveis).

Esses recheios foram postos em um cilindro equipado com sensores ultrassnicos piezoeltricos e agitados mecanicamente por atuadores sob condies de carga axial definidas. Durante a agitao, cada combinao de material era examinada por meio de raios X.

Curiosamente, a adio de at 20% de esferas de borracha (macias) aumentou a rigidez efetiva das embalagens, em vez de diminu-la, como era esperado. No entanto, quando a frao das esferas de borracha superou os 30%, a rigidez comeou a diminuir, j que a rede geral no era mais dominada por partculas rgidas.

“Este comportamento contradiz todas as regras clssicas de mistura,” disse o professor Holger Steeb, membro da equipe. “Para obter uma melhor compreenso da resposta mecnica inesperada, tivemos que analisar a rede geral de partculas (rede de fora), incluindo as sub-redes de vidro e borracha.”

At agora, a maior esperana de proteo contra terremotos estava nos metamateriais.
[Imagem: Aleksi Bossart et al. – 10.1073/pnas.2018610118]

Proteo contra terremotos

Nesta segunda etapa de anlise, os pesquisadores avaliaram a morfologia do compsito combinando exames de ultrassom com caracterizao de imagem por tomografia computadorizada de raios X (XRCT).

Os exames mostraram que a maior rigidez efetiva dos “recheios” com fraes de borracha de at 20% pode ser explicada pelo comprimento das cadeias de fora das partculas de vidro. “Ao mesmo tempo, a rede de partculas de vidro est em um chamado ‘estado travado’, com um nmero de coordenao correspondentemente alto. Se o volume da frao das esferas de borracha aumentar acima de 30%, as cadeias de fora consistem em contatos mistos entre as esferas de vidro e as de borracha, que so bem mais macias.”

Alm disso, a avaliao das vizinhanas das esferas mostrou que o nmero de coordenao, ou seja, o nmero de esferas vizinhas do mesmo tipo, torna-se significativamente menor nessas fraes de volume mais altas.

“Nesta frao de volume, nenhuma das duas fases esfricas est em estado de travamento e, portanto, o comportamento efetivo do material no comparvel a um slido clssico,” disse Steeb.

Os cientistas afirmam que estas concluses tm grande implicao prtica para a indstria da construo civil. Por exemplo, em reas propensas a terremotos, a rigidez e as propriedades de amortecimento dos solos podem ser ajustadas por meio de misturas especficas de compostos de lastro e borracha, permitindo manipular de maneira direcionada as amplitudes e velocidades das ondas do terremoto. Ou seja, os edifcios podem ser protegidos desses perigos de forma inesperadamente eficiente e de baixo custo.

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