as necessidades da humanidade estão crescendo constantemente, e a quantidade de recursos permanece limitada. Uma das soluções possíveis para esta situação é o desenvolvimento intensivo de tecnologias e a criação de novos materiais, nomeadamente híbridos. Um dos principais especialistas na área de criação de materiais híbridos, Doutor Honorário da Academia Russa de Ciências, Chefe do Laboratório "Materiais Híbridos Nanoestruturados" da NUST "MISiS" (Moscou, Rússia), Professor do Departamento de Ciência de Materiais, falou sobre o que são, como são criados e quais perspectivas abrem. Universidade com o nome de Monasha (Melbourne, Austrália) Yuri Estrin.
Al Hayat: Você poderia explicar o que são "híbridos" na ciência dos materiais e por que criá-los?
Yuri Estrin: os materiais tradicionais usados hoje têm um limite em suas propriedades - eles não podem ter resistência ou ductilidade acima de um certo nível limite, portanto, na ciência dos materiais há um movimento em direção à criação de "híbridos" - materiais compostos por vários componentes, muitas vezes completamente diferentes, que forneça uma combinação das propriedades desejadas em um material recém-criado. Nesse caso, um papel importante é desempenhado não apenas pela composição química dos componentes individuais, mas também por sua microestrutura e arranjo mútuo, ou seja, a arquitetura interna do híbrido. Torna possível controlar as propriedades do material resultante, e a variedade de geometrias possíveis abre toda uma gama de propriedades adicionais.
Quais são as principais formas de criar híbridos?
- Existem muitas maneiras de criar materiais híbridos, mas em nossa pesquisa usamos dois métodos principais. O primeiro é a deformação plástica severa. Dois ou mais materiais sofrem deformação conjunta de centenas, às vezes milhares de por cento. Uma peça feita de materiais é repetidamente empurrada através de uma matriz com um formato de canal predeterminado. O processo de deformação intensa lembra como um pedaço de carne é passado por um moedor de carne. Na saída, a peça mantém sua forma, mas sofreu uma deformação gigantesca e sofreu mudanças incríveis em seu interior. A estrutura interna do material é reduzida a nanoescala.
Se um material policristalino tem uma microestrutura de grão com um tamanho de grão de, digamos, dezenas ou centenas de mícrons, então, como resultado da deformação, os grãos se quebram em grãos menores - submicrônicos. Seu tamanho médio pode ser da ordem de centenas de nanômetros, ou seja, um décimo de mícron. Este procedimento permite, por um lado, obter uma arquitetura interna concebida do híbrido e, por outro, obter a nanoestruturação, que melhora as características mecânicas e altera as propriedades físicas do híbrido. A deformação plástica intensa aumenta a resistência dos metais puros em várias vezes, e das ligas em 20-30%.
A segunda maneira é usar o método de auto-ligação topológica. Podemos dizer que aqui aderimos ao princípio de "dividir e conquistar" - dividimos os materiais sólidos em segmentos para "dominar" suas propriedades. O material de origem é segmentado, ou seja, é dividido em blocos elementares, a partir deles a estrutura do material necessário é recriada. Os elementos estruturais se autoaplicam - ou, em outras palavras, se autoacunham - devido à geometria e ao posicionamento relativo. Por exemplo, em algumas variantes de tais estruturas, cada bloco é suportado por seis blocos adjacentes, não sendo necessários elementos de ligação ou massa de ligação. Três blocos adjacentes impedem que o bloco central se mova em uma direção, três outros na direção oposta. Nas bordas, a situação é mais complicada - não há vizinhos que impeçam os blocos de se moverem,portanto, a estrutura precisa ser limitada, por exemplo, por uma moldura ou de outras maneiras. Meus colegas da Austrália e eu descobrimos várias formas geométricas que nos permitem implementar o princípio da auto-ligação topológica. Em tais estruturas, você pode combinar qualquer material, mesmo extremamente heterogêneo, dando ao híbrido a versatilidade necessária. Quimicamente, pode ser qualquer material, até mesmo blocos ocos. O tamanho dos blocos, dependendo da aplicação, varia de alguns milímetros a vários metros. Quimicamente, pode ser qualquer material, até mesmo blocos ocos. O tamanho dos blocos, dependendo da aplicação, varia de alguns milímetros a vários metros. Quimicamente, pode ser qualquer material, até mesmo blocos ocos. O tamanho dos blocos, dependendo da aplicação, varia de alguns milímetros a vários metros.
Quando uma pedra atinge o vidro, as rachaduras divergem do local do impacto, mas se você jogar uma pedra em seu material, o dano permanecerá local e não se espalhará para as áreas vizinhas?
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- Sim está certo. A trinca principal não passa por toda a placa composta por blocos topológicos auto-interligados. É interrompido nas interfaces entre blocos adjacentes.
Se os blocos forem destruídos um por vez, aleatoriamente, a estrutura manterá sua integridade e não se desintegrará até que cerca de 25% dos blocos sejam destruídos. No primeiro dano, rachaduras apareceriam imediatamente ao longo da placa monolítica e ela desabaria. Essa imunidade única a danos locais é uma propriedade notável de estruturas topologicamente auto-interligadas, que fundamentalmente as distinguem das monolíticas.
Acontece que devido a esta propriedade é muito mais fácil realizar reparos substituindo um pequeno fragmento danificado?
- Não é bem assim, a situação dos reparos é mais complicada. Você pode colocar um "remendo" no segmento danificado, mas é impossível retirar o segmento quebrado e inserir um novo. Para substituir um bloco danificado, é necessário aproximá-lo, movendo-se desde a borda do conjunto, ou seja, desmontar uma parte da placa composta.
Já que as nanoestruturas híbridas não se rompem com alguns danos locais, elas seriam muito adequadas para voos espaciais de longa distância ou a construção de bases em outros planetas? Que outras propriedades esses materiais têm?
- Estruturas híbridas de blocos auto-interligados são de fato uma excelente solução de engenharia para aplicações em tecnologia espacial. Eles podem ser usados para revestir espaçonaves ou para construir edifícios na Lua ou em Marte. Para estruturas feitas de blocos topológicos auto-intertravantes, nenhuma argamassa é necessária, portanto, em um ambiente sem água, esta tecnologia abre amplas perspectivas. Se falamos sobre a Lua, os edifícios podem ser construídos diretamente do regolito - solo lunar, localizado em sua superfície. Claro, é necessário desenvolver uma tecnologia para sinterizar o solo e aprender a transformá-lo em blocos com a geometria desejada. Um edifício feito de tais blocos não tem medo nem mesmo de uma chuva de meteoros.
A estrutura híbrida, segmentada em elementos individuais, oferece muitas possibilidades exclusivas. Objetos segmentados absorvem melhor o som e dissipam a energia do impacto com mais eficiência do que objetos sólidos feitos do mesmo material. Experimentos com materiais cerâmicos mostraram que se o som for passado através de um material monolítico, então o coeficiente de absorção de som é, digamos, 5-10%, se o mesmo material for segmentado em blocos topológicos auto-interligados, então o coeficiente de absorção já será de 60%. Ao mesmo tempo, um aumento neste indicador é alcançado apenas por meio da segmentação em blocos com geometria especial. Se você também trabalhar no próprio material - escolher o certo e até torná-lo poroso, você pode obter um coeficiente de absorção próximo a 100%. O uso de tal material sugere-se imediatamente para barreiras de isolamento acústico em rodovias, isolamento acústico em edifícios. A aplicação do princípio da auto-ligação topológica também abre perspectivas extremamente interessantes para a construção em regiões propensas a terremotos.
Em que outras áreas os materiais híbridos são usados? No que exatamente você está trabalhando no momento?
- Os materiais híbridos são principalmente materiais estruturais que estarão potencialmente em demanda na construção, automotivo, aviação, tecnologia espacial e assim por diante. Onde quer que falemos de quaisquer objetos móveis que requerem um isqueiro, mas ao mesmo tempo mais resistente à destruição de material. No entanto, as empresas industriais ainda não têm pressa em implementá-los. Aqui é necessário transmitir aos parceiros industriais e investidores os benefícios dos novos princípios de design e fabricação de materiais híbridos, e nisso vemos uma das tarefas importantes do nosso laboratório.
Os métodos de deformação plástica severa que estamos desenvolvendo são muito promissores para a criação de implantes ósseos biodegradáveis e stents baseados em materiais tradicionais e híbridos.
Depois que os implantes atendem ao seu objetivo, como regra, eles precisam ser removidos imediatamente. No entanto, se os próprios implantes se dissolverem durante o reparo do tecido, uma segunda intervenção cirúrgica não será necessária. O laboratório desenvolve trabalhos experimentais de desenvolvimento de materiais biodegradáveis para uso médico à base de ligas e polímeros de magnésio.
A deformação plástica intensa e a nanoestruturação resultante do material também abrem novas oportunidades para o desenvolvimento da energia do hidrogênio. Agora o hidrogênio é considerado uma possível alternativa à matéria-prima de hidrocarbonetos, portanto, materiais capazes de acumulá-lo e armazená-lo, no futuro, poderão ser usados em baterias para novas energias. Materiais híbridos nanoestruturados melhoram a capacidade de um metal ou liga de armazenar hidrogênio, acelerar sua liberação e tornar o processo possível em temperaturas mais baixas.
Sua pesquisa está relacionada ao uso de materiais híbridos como componentes com características que permitem uma mudança controlada nas propriedades do material sob influências externas. Isso significa que uma bola feita de um material semelhante em diferentes temperaturas pode ser primeiro uma bola de futebol e depois uma bala de canhão?
“Passamos fios pelas estruturas híbridas, que podem ser esticadas em diversos graus, e obtemos estruturas flexíveis feitas de blocos de um material muito rígido. Essa tecnologia torna o material rígido maleável e flexível. Se fizermos fios de um material com efeito de memória de forma, primeiro deformando esse material e depois aquecendo-o, por exemplo, passando uma corrente elétrica por ele, então os forçaremos a voltar à sua forma original. Desta forma, podemos alterar a tensão dos fios e, assim, controlar a rigidez de flexão de nossa estrutura.
Se falamos de polímeros, então é possível adicionar não fios, mas elementos inteiros com efeito de memória de forma. Ar quente pode ser soprado em tal placa, e ela ficará rígida em resposta. Aqui você pode simplesmente fazer uma analogia com uma bola se transformando em uma bala de canhão, mas a transformação ocorre uma vez e apenas em uma direção.
Alguns desenvolvimentos e descobertas científicas não apenas acrescentam algo à nossa vida, mas na verdade mudam completamente o mundo, por exemplo, antibióticos ou um motor a jato. Existe um problema na ciência dos materiais cuja solução mudaria o mundo?
“Uma revolução na ciência dos materiais seria a criação de materiais para roupas inteligentes. Roupas inteligentes são roupas que combinam proteção térmica, radiação e à prova de choque com elementos eletrônicos. Um componente necessário desse conceito é a propriedade de autocura do material - ou seja, a capacidade do material de eliminar independentemente o dano local. Essa roupa é semelhante à segunda pele, mas em muitos aspectos a supera em propriedades. Na ciência dos materiais existe toda uma área lidando com o desenvolvimento de tais materiais. Ele está se desenvolvendo muito ativamente agora.
Se falarmos sobre a "supertarefa" abrangente na ciência dos materiais, temo que ela não exista.
A ciência dos materiais atende a uma variedade de campos da engenharia. Cada um deles precisa de suas próprias soluções e materiais. Em revistas especializadas em ciência de materiais, bem como em publicações de ciência popular, há muitas ideias interessantes, que às vezes são de tirar o fôlego. Mas eu acho que as descobertas mais impressionantes, cujos resultados poderiam encontrar aplicação prática, deveriam ser esperadas precisamente no campo de materiais híbridos com uma arquitetura interna especial em diferentes níveis de escala.
Yulia Shabunina
