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Fazendo Materiais Resistentes, Resilientes Fora dos Componentes Simples

Published on October 22, 2010 at 7:39 AM

A Natureza tem uma vantagem muito grande sobre toda a equipa de investigação humana: abundância do tempo. Biliões de anos, de facto. E sobre toda essa hora, produziu alguns materiais verdadeiramente surpreendentes - usando os blocos de apartamentos fracos que os coordenadores humanos não figuraram ainda para fora como se usar para aplicações da alto-tecnologia, e com muitas propriedades que os seres humanos têm para encontrar ainda maneiras de duplicar.

Mas um número de pesquisadores tais como o professor Markus Buehler do MIT têm começado agora a desembaraçar estes processos a nível profundo, não apenas encontrando como os materiais se comportam mas o que as características estruturais e químicas essenciais são que lhes dão suas propriedades originais. No futuro, esperam imitar aquelas estruturas nas maneiras que produzem mesmo melhores resultados.

Uma imagem de uma espécie de diatomácea, cistula de Cymbela. Marcus Buehler diz que as diatomáceas são um bom exemplo da maneira que os blocos de apartamentos fracos - neste caso, silicone frágil e frágil - podem ser usados na biologia para construir materiais fortes e duráveis, montando os nas estruturas organizadas diferentemente em escalas diferentes. Imagem: NSF

Que tudo vem para baixo a montar estruturas complexas dos blocos de apartamentos pequenos, simples, Buehler explica. Gosta de usar uma analogia musical: Uma sinfonia compreende muitos instrumentos diferentes, cada qual no seus próprios poderiam nunca produzir algo tão grande e complexo quanto os ricos combinados, experiência musical completa. Em uma maneira similar, espera construir materiais complexos com propriedades previamente não disponíveis usando os blocos de apartamentos simples montados nas maneiras que pedem daquelas usadas por natureza.

Coordenadores Humanos, explica, tem pelo menos uma vantagem importante sobre a natureza: Podem escolher seus materiais. A Natureza, pelo contraste, frequentemente tem que contentar do que quer que são prontamente - disponível localmente, e dos o que estruturas foram criadas com a tentativa e erro longa da evolução. “Uma aranha ou uma pilha,” Buehler diz, “não tem grandes recursos. Não pode importar materiais, ele usa-se o que está disponível.”

Em materiais biológicos tais como a seda da aranha, a geometria das estruturas faz toda a diferença. A Seda, um assunto de uns estudos mais adiantados por Buehler e seus colegas, são compo das moléculas que estão, nse, inerente fraco, mas as moléculas disco-dadas forma básicas são combinadas nas pilhas pequenas, que por sua vez são combinadas em fibras ligadas em uma maneira que faça o todo distante mais forte do que seus elementos. Os Coordenadores poderiam aprender uma coisa ou dois de tais estruturas, Buehler sugere, com seu regime diferente em escalas diferentes. “Se nós figuramos para fora como projectar coisas em escalas múltiplas, nós não precisamos blocos de apartamentos extravagantes,” diz.

Peter Fratzl, um cientista dos materiais no Max Planck Institute dos Colóides e das Relações em Alemanha, vê a grande promessa nesta aproximação. “Não é tanto a composição quimica que conta realmente, mas a maneira os componentes (que podem ser intrìnseca deficientes) é juntada junto,” diz. “Desembaraçar estes princípios estruturais exige as aproximações experimentais assim como teóricas que cobrem muitas escalas do comprimento, do tamanho das moléculas para terminar órgãos.” Até agora, a pesquisa estêve na maior parte no lado teórico, mas Buehler e outro estão esperando continuar também com trabalho experimental.

Esta aproximação do projecto guardara não somente a promessa de criar materiais com as grandes qualidades da força, ou o stretchiness, ou com as propriedades ópticas ou elétricas úteis, mas igualmente para utilizar os materiais que são agora provavelmente de pouco uso, ou mesmo os restos da produção.

Estruturas Hierárquicas

A chave a fazer materiais fortes fora dos componentes fracos, Buehler encontrou, mentiras na maneira que as partes pequenas são arranjadas em testes padrões maiores em maneiras diferentes em escalas diferentes - ou seja em um grupo hierárquico de estruturas. “Este paradigma, a formação de estrutura distinta em escalas múltiplas do comprimento, permite materiais biológicos de superar as fraquezas intrínsecas dos blocos de apartamentos,” ele escreveu em um papel que aparece este mês no jornal Nano Hoje.

A Maioria dos materiais estruturais projetados por povos, por outro lado - aço, tijolos, almofariz - têm as estruturas simples que não variam com escala, embora alguns materiais compostos e estruturas construídos dos componentes tais como nanotubes do carbono estejam começando a executar pelo menos alguma diferenciação da estrutura com escala. Mas Buehler vê este como uma área que seja madura para uns projectos novos muito mais sofisticados e mais complexos.

Buehler sugere que apenas como a biologia fez, seres humanos poderia projectar materiais com propriedades desejadas tais como a força ou a flexibilidade usando materiais abundantes e baratos tais como o silicone, que no formulário maioria é frágil e fraco. “O projecto de estruturas hierárquicas poderia ser a chave para superar sua fraqueza intrínseca ou fragilidade, as propriedades que impedem actualmente sua aplicação tecnologico difundida,” escreveu no papel Nano de Hoje. Usando estruturas inteligente projetadas, sugere, os seres humanos devem poder produzir materiais com quase qualquer tipo de propriedades desejadas, mesmo usando um muito limitado, e “quase arbitrário” ajuste dos componentes.

“Nós estamos tentando desenvolver modelos de computador,” diz, “de modo que nós podemos fazer previsões” sobre as propriedades dos materiais construídos nas maneiras que têm sido feitas nunca antes. “Como coordenadores, nós temos modelos para que como faça um carro, ou uma construção,” diz. Mas para projetar as estruturas básicas de materiais novos, a tecnologia hoje “está realmente em uma fase infantil.” Mas como tais modelos são desenvolvidos, diz segura, “nós podemos fazer muito melhor do que a biologia.”

Last Update: 12. January 2012 10:18

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