100 vezes mais forte que concreto: cimento ganha a resistência de um ouriço

Inspirados na estrutura da concha do animal marinho, cientistas da Alemanha criam um material 100 vezes mais forte que o concreto. Segundo eles, a solução permitirá a construção de prédios com até 8 mil metros de altura

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postado em 02/12/2017 08:00 / atualizado em 02/12/2017 00:22

AFP PHOTO / XAVIER LEOTY


Os espinhos resistentes do ouriço-do-mar têm calcita em sua composição. O mineral, em si, é frágil e quebradiço, mas a natureza arranjou os seus componentes em estruturas organizadas, de forma a originar conchas bastantes firmes para alguns animais marinhos. O princípio é parecido com o usado para a construção de paredes de tijolos: os blocos, quebráveis, são organizados em fileiras e separados por um material maleável, como a argamassa. Dessa forma, as rachaduras que podem acontecer em um tijolo são contidas e não se espalham para os outros.


Pesquisadores da Universidade de Constança, na Alemanha, inspiraram-se nesse mecanismo, presente na estrutura dos ouriços, para criar um cimento muito mais resistente do que os disponíveis hoje. Eles utilizaram o material presente no cimento comum, o silicato de cálcio hidratado, mas arranjaram a sua nanoestrutura da mesma forma que a calcita dos animais: em minúsculos blocos cristalinos, cercados por camadas de um polímero, que agem como uma argamassa.

Universidade de Constança/Divulgação

 

Segundo os criadores da solução, o cimento atual não possui uma boa resistência a fraturas. É por isso, por exemplo, que, nas construções de concreto, usam-se barras de aço para mantê-las firmes. O novo material é entre 40 e 100 vezes mais resistente do que o concreto. “No cimento comum, as estruturas básicas nanométricas são orientadas de uma forma completamente aleatória, formando uma rede porosa. Já na estrutura do cimento inspirado pela natureza, essas unidades são ordenadas segundo o princípio de uma parede de tijolos que é usado em certos materiais como a madrepérola e os espinhos dos ouriços-do-mar”, compara Helmut Cölfen, líder da pesquisa, detalhada na edição desta semana da revista Science Advances.

No mundo microscópico, quanto mais ordenada é uma estrutura, mais forte ela costuma ser. Por exemplo, um material feito de átomos de carbono pode ser tão frágil quanto o grafite ou tão forte quanto o diamante. A única diferença entre os dois é a organização de suas moléculas. “A natureza usa princípios de construção extremamente sofisticados para formar seus biominerais. Um exemplo bem conhecido é a madrepérola, que é 3000 vezes mais resistente a fraturas que o mineral aragonita, que forma 95% da sua composição”, disse Cölfen. “Assim, a inspiração foi tentar adaptar essa estrutura para um material de construção comum, como o cimento.”

Para rearranjar a nanoestrutura do cimento, os pesquisadores utilizaram polímeros capazes de se conectar apenas às partículas do material, o que forma pequenos cristais. Depois, um aumento no pH da mistura faz com que essas unidades se arranjem sozinhas em fileiras ordenadas, criando os chamados mesocristais. O polímero envolve a estrutura e dificulta a propagação de rachaduras entre elas.

A fim de determinar a resistência da substância, os cientistas cortaram uma barra de apenas três micrômetros de cimento — um micrômetro equivale à milionésima parte do metro — e a dobraram usando um micromanipulador, semelhante a uma pinça. Assim que foi solta, a barra voltou à sua forma original, e os cálculos da sua deformação indicaram uma resistência a fraturas de 200 megapascais. Por comparação, a concha dos mexilhões — considerada o ápice dessa resistência — possui 210 megapascais; e o concreto comum, um valor entre dois e cinco.

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Aplicações

Se feito inteiramente como o novo cimento, um pilar poderia ser construído com até 8.000 metros de altura, quase 10 vezes o tamanho do atual prédio mais alto do mundo, o Burj Khalifa, construído em Dubai. Além disso, o princípio de uma nanoestrutura organizada pode ser aplicado para vários outros tipos de materiais, formando produtos de alta performance para a construção civil.

Segundo Cölfen, ainda não há uma aplicação direta para o cimento porque as peças que foram produzidas são pequenas demais, como a barra de apenas três micrômetros. Mas o estudo demonstrou que é possível fortalecer o concreto ao rearranjar sua nanoestrutura e que apenas misturar essas partículas do cimento mesocristalino ao comum pode aumentar consideravelmente a resistência do material tradicional.

“A pesquisa pode se desenvolver em diferentes direções a partir daqui”, ressaltou Cölfen. “Podemos testar se os polímeros dos mesocristais podem ser substituídos por outros, preferencialmente baratos. As condições para a formação do material podem ser exploradas para obter a estrutura com a menor quantidade de polímero possível. Aumentar a escala da síntese também pode ser uma direção promissora para a pesquisa.”


Escudo protetivo
A substância é produzida no interior das conchas de alguns moluscos, como o náutilo, para a proteção contra danos e parasitas. Ela é formada pelos mesmos elementos das pérolas, mas arranjados em camadas planas. Quando há um organismo invasor ou um corpo estranho no interior do molusco, as camadas de madrepérola o envolvem e formam a estrutura esférica de uma pérola.


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