Em 1880, o matem�tico alem�o Karl Hermann Amandus Schwarz (1843-1921) idealizou estruturas com geometrias complexas, em que as superf�cies s�o m�nimas e peri�dicas (com padr�es que se repetem) e com curvatura negativa, como as de uma sela de cavalo.

Mais de 100 anos depois, em 1991, o f�sico mexicano Humberto Terrones e o qu�mico ingl�s Alan Mckay propuseram que a inclus�o de an�is de carbono com mais de seis �tomos em uma malha hexagonal de grafite poderia dar origem a estruturas peri�dicas com curvatura negativa, como as que Schwarz imaginou, e semelhante � dos ze�litos � minerais com estrutura porosa e tridimensional.

Essas estruturas cristalinas esponjosas, denominadas schwarzitas por Terrones e Mckay, em homenagem ao matem�tico alem�o, poderiam ter centenas de �tomos e c�lulas porosas e dar origem a materiais r�gidos semelhantes � espuma, com caracter�sticas e propriedades mec�nicas e eletromagn�ticas incomuns. Essas estruturas, contudo, s� existiam em teoria.

Agora, um grupo de pesquisadores do Instituto de F�sica Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp), vinculado ao�Centro de Engenharia e Ci�ncias Computacionais�(CECC) � um dos Centros de Pesquisa, Inova��o e Difus�o (CEPIDs) financiados pela FAPESP �, conseguiu, em colabora��o com colegas da Rice University, dos Estados Unidos, encontrar uma maneira pr�tica de gerar esses materiais em escala real.

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A t�cnica para constru��o e os resultados de experimentos de avalia��o da resist�ncia dos materiais � compress�o e ao impacto foram descritos na revista�Advanced Materials. �Conseguimos gerar em escala macrosc�pica materiais que s� existiam em escala at�mica�, disse Douglas Galv�o, professor do IFGW-Unicamp e um dos autores do estudo, �Ag�ncia FAPESP.

Para obter o material, os pesquisadores projetaram inicialmente, por meio de algoritmos computacionais, modelos em escala at�mica de estruturas porosas de duas fam�lias diferentes de schwarzitas, a primitiva e a giromana.

Os modelos moleculares da fam�lia primitiva continham 48 e 192 �tomos por unidade de c�lula, respectivamente, enquanto os modelos da fam�lia giromana tinham 96 e 384 �tomos. As estruturas possu�am superf�cies m�nimas peri�dicas, conforme as que foram concebidas originalmente por Schwarz.

Os dados das quatro estruturas moleculares foram compilados por um software de modelagem computacional, em modelos tridimensionais. Os modelos foram impressos em pol�mero, na forma de cubos e na escala de cent�metros de comprimento, por impressoras 3D.

�A ideia foi desenvolver um material com propriedades ex�ticas, como a schwarzita, em escala at�mica, construir um modelo em macroescala a partir dele e imprimir essa estrutura em escala real, por meio de uma impressora 3D, para verificar se ele mant�m essas propriedades, como a de alt�ssima resist�ncia�, explicou Galv�o.

Testes de resist�ncia

Os pesquisadores avaliaram a resist�ncia � compress�o e ao impacto mec�nico tanto das estruturas em n�vel at�mico � por simula��o �, como dos modelos impressos em 3D.

Os resultados indicaram que as estruturas apresentam alta resist�ncia ao impacto e � compress�o mec�nica em n�vel at�mico e em macroescala, devido a um mecanismo de deforma��o em camadas.

Ao aplicar for�a em um lado do material, ele se deforma lentamente e de forma n�o homog�nea. Isso porque os poros das camadas mais altas, que sofrem mais diretamente a press�o, se fecham primeiro e, na sequ�ncia, fecham os abaixo deles.

�Esse mecanismo de deforma��o do material � muito semelhante ao das conchas marinhas, que tem uma matriz mineral, composta por calcita, e uma camada de prote�nas que absorve press�es extremas, sem fraturar, ao transferir o estresse em todas as suas estruturas�, disse Galv�o.

�O que � interessante no caso das estruturas de schwarzitas que geramos � que elas s�o compostas de apenas um material � o pol�mero PLA, usado em impressoras 3D �, e n�o dois, como as conchas, que t�m a matriz mineral e a parte org�nica juntas�, ressaltou.

Os resultados dos ensaios tamb�m mostraram que as estruturas de schwarzitas apresentam uma resili�ncia not�vel sob compress�o mec�nica. Elas podem ser reduzidas � metade do seu tamanho original antes de apresentar falha estrutural (fratura).

Os testes indicaram que a carga aplicada foi transferida para toda a geometria das estruturas, independentemente de qual lado foi comprimido, tanto nas simula��es das estruturas em n�vel at�mico como nos modelos impressos.

�Nos surpreendeu que algumas caracter�sticas das estruturas em escala at�mica foram preservadas nas estruturas impressas em 3D�, disse Galv�o, que estuda nanoestruturas por meio de simula��es computacionais de din�mica molecular.

A caracter�stica do material que mais surpreendeu os pesquisadores, entretanto, foi a resist�ncia mec�nica. Ao soltar quase 10 quilogramas do material a uma altura de 1 metro ele n�o quebrou.

�Estamos analisando agora outra fam�lia de schwarzita, com estrutura muito parecida com a do diamante. Os resultados s�o ainda mais impressionantes. N�o foi poss�vel quebrar o material com as m�quinas para testes de resist�ncia dispon�veis no CNPEM [Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais]. Essa alta resist�ncia do material � proporcionada por sua topologia�, disse Galv�o.�

Resistente e complexo

Algumas das poss�veis aplica��es das estruturas de schwarzitas geradas pelos pesquisadores s�o em prote��o bal�stica � em coletes � prova de bala � e em componentes resistentes a impactos e altas cargas para edif�cios, carros e aeronaves.

�Como � um pol�mero, n�o sabemos se, ao ser usado em um colete � prova de bala, o calor de uma bala poderia fundi-lo localmente. Pretendemos realizar ensaios para verificar isso�, disse Galv�o.

Os pesquisadores pretendem agora refinar as superf�cies das estruturas com impressoras 3D de maior resolu��o e reduzir a quantidade de pol�mero para tornar os blocos ainda mais leves. Outra ideia � utilizar materiais cer�micos e met�licos em maior escala, e n�o somente na forma de blocos, para construir estruturas ultraduras.

�Temos uma receita, agora, para buscar na literatura estruturas interessantes, em escala at�mica, e que nunca foram sintetizadas por sua complexidade, e criar modelos delas em macroescala�, avaliou Galv�o.

O artigo�Multiscale geometric design principles applied to 3D printed schwarzitas�(doi: 10.1002/adma.201704820), de Seyed Mohammad Sajadi, Peter Samora Owuor, Steven Schara, Cristiano F. Woellner, Varlei Rodrigues, Robert Vajtai, Jun Lou, Douglas S. Galv�o, Chandra Sekhar Tiwary e Pulickel M. Ajayan, pode ser lido na revista�Advanced Materials�em�onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201704820/abstract.

V�deo sobre o processo de constru��o das estruturas de schwarzitas�