Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) produziram um dos materiais mais fortes e leves conhecidos, comprimindo e fundindo flocos de grafeno, uma forma bidimensional de carbono. Sua densidade calculada era de apenas 5% da densidade do aço, com um aumento de dez vezes em sua resistência. O trabalho correspondente foi publicado na revista Science Advances.
Em sua forma original, o grafeno é considerado o mais forte de todos os materiais conhecidos, e seus estudos teóricos começaram no final dos anos quarenta do século passado. Este é o primeiro cristal bidimensional do mundo obtido por Andrey Geim e Konstantin Novoselov em 2004 a partir dos mais finos filmes de grafite em um substrato de silício oxidado. Por essa conquista, eles receberam o Prêmio Nobel de Física seis anos depois.
Desde o início do grafeno, métodos para sua produção em escala industrial foram desenvolvidos. Algum progresso já foi alcançado nisso, no entanto, ainda não foi possível transformá-lo em uma forma tridimensional eficaz - propriedades importantes deste material excepcional foram perdidas, e sua resistência era várias ordens de magnitude menor do que o previsto.
Para resolver esse problema, os engenheiros do MIT se concentraram na configuração geométrica necessária do grafeno em massa. Eles analisaram seu comportamento até o nível atômico e, em seguida, usaram os dados obtidos para criar um modelo matemático e simulação de computador. As conclusões finais estiveram exatamente em linha com as observações experimentais, inicialmente realizadas com modelos mil vezes ampliados a partir de outros materiais, impressos em impressora 3D de alta resolução.
De acordo com Markus Buehler, chefe de engenharia civil e ambiental do MIT, os materiais 2D geralmente não são muito úteis para a criação de objetos 3D que podem ser usados na construção de edifícios. Mas a modelagem por computador tornou possível superar esse problema, e a geometria se tornou o fator determinante para o sucesso.
Como resultado, os pesquisadores foram capazes de criar um material poroso forte e estável, comprimindo e aquecendo pequenos flocos de grafeno. Sua estrutura, que lembra alguns corais e diatomáceas microscópicas, possui uma grande área de superfície em relação ao volume. É conhecido como um giroide - uma forma de repetição contínua com uma superfície mínima periódica tripla, descrita por Alan Schoen da NASA em 1970.
"Os resultados mostram que o aspecto crucial das novas formas tridimensionais tem mais a ver com sua configuração geométrica incomum do que com o próprio material", observou o MIT.
Segundo os engenheiros do instituto, essa geometria pode ser aplicada até mesmo em materiais estruturais de grande porte na construção, como o concreto. E essa estrutura porosa não só fornecerá maior resistência, mas também um bom isolamento térmico, graças ao ar dentro dela.
“Você pode usar grafeno real como material ou aplicar a geometria que descobrimos em combinação com outros materiais, como polímeros ou metais”, concluiu Markus Buehler.
