Madeira metálica veio para revolucionar o mundo da indústria! Conheça o material usado como membranas para separar biomateriais em diagnósticos de câncer, revestimentos protetores e sensores flexíveis

Sim, já existe uma madeira mais dura que o aço e o titânio, mas James Pikul, da Universidade da Pensilvânia, nos EUA, queria inverter a equação. Assim, ao invés de fabricar uma madeira que se parece com metal, ele fabricou um metal que se parece com madeira. Os pesquisadores conseguiram agora finalmente resolver o maior problema que impedia que essa espuma metálica altamente promissora fosse fabricada em larga escala: Eles conseguiram eliminar as chamadas “rachaduras invertidas”, um tipo de defeito que tem atormentado materiais semelhantes por décadas.

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Apesar dos avanços tecnológicos na construção, a madeira continua sendo um material de construção onipresente graças à sua alta relação força-densidade

O espaçamento preciso desses poros também dá ao material algumas propriedades ópticas únicas. Os espaços entre as lacunas são do mesmo tamanho que comprimentos de onda de luz visível, o que significa que a luz refletida a partir da madeira interfere, com o resultado de que cores específicas – dependendo do ângulo de reflexão – são melhoradas. Isso dá ao material uma aparência de arco-íris atraente e brilhante, com potencial para ser incorporado em dispositivos de sensoriamento.

Embora o material esteja em desenvolvimento há vários anos, os engenheiros resolveram um problema sério que os impediu de fabricar madeira metálica em tamanhos úteis: eliminar as rachaduras invertidas que se formam à medida que o material é cultivado de nanopartículas em filmes de metal. A prevenção desses defeitos permite que as tiras do material sejam cultivadas em áreas 20.000 vezes maiores do que antes. A solução foi detalhada em um artigo da Nature Materials.

Quando uma rachadura se forma em um material convencional, as ligações entre os átomos quebram, eventualmente fazendo com que o material se separe. Uma rachadura invertida, no entanto, é um excesso de átomos. No caso da madeira metálica, estes são átomos extras de níquel enchendo os nanoporos que lhe dão suas propriedades únicas.

“As rachaduras invertidas têm sido um problema desde a primeira síntese de materiais semelhantes no final dos anos 1990”, disse o estudante de pós-graduação Zhimin Jiang, que trabalhou no projeto. “Descobrir uma maneira simples de eliminá-los tem sido um obstáculo de longa data no campo.”

Metal poroso como madeira e rachaduras invertidas

Rachaduras invertidas emergem da forma como a madeira metálica é cultivada. Começa como um “modelo” de nanosferas empilhadas. Quando o níquel é depositado através do modelo, ele forma uma rede ao redor das esferas, que são posteriormente dissolvidas para deixar para trás a estrutura dos poros de níquel. No entanto, os pesquisadores descobriram que, se houver algum lugar onde o padrão regular de empilhamento das nanosferas seja interrompido, o níquel preencherá essas lacunas e produzirá uma rachadura invertida quando o modelo for dissolvido.

“A maneira padrão de construir esses materiais é começar com uma solução de nanopartículas e evaporar a água até que as partículas estejam secas e regularmente empilhadas. O desafio é que as forças superficiais da água são tão fortes que elas rasgam as partículas e formam rachaduras, assim como rachaduras que se formam na areia seca”, explicou o professor James Pikul. “Essas rachaduras são muito difíceis de prevenir nas estruturas que estamos tentando construir, então desenvolvemos uma nova estratégia que nos permite auto-montar as partículas mantendo o modelo molhado.

“Isso evita que os filmes quebrem, mas como as partículas estão molhadas, temos que trancá-las no lugar usando forças eletrostáticas para que possamos enchê-las com metal.”

Madeira metálica é três vezes mais forte do que metais porosos

Agora que é possível criar tiras maiores e mais consistentes de madeira metálica, Pikul e seus colegas estão particularmente interessados em usá-lo para construir novos dispositivos. Ele disse: “Nossa nova abordagem de fabricação nos permite fazer metais porosos que são três vezes mais fortes do que metais porosos anteriores em densidade relativa semelhante e 1.000 vezes maiores que outros nanolattices.

“Planejamos usar esses materiais para fazer uma série de dispositivos anteriormente impossíveis, que já estamos usando como membranas para separar biomateriais em diagnósticos de câncer, revestimentos protetores e sensores flexíveis.” diz Pikul.

Este trabalho foi parcialmente financiado pelo programa de subvenção piloto do Center for Innovation & Precision Odontologia da Universidade da Pensilvânia e pela National Science Foundation sob o CAREER Grant nº 1943243.