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Impressão 3D confirma modelo matemático elaborado em 1880

Novo material criado com impressão 3DDa teoria do século XIX para a prática em 2018. Qual a probabilidade de o matemático alemão Karl Hermann Schwarz imaginar que suas ideias tomariam forma com a impressão 3D? Atuando nas áreas de análise complexa e geometria diferencial, Schwarz ficou conhecido por seu trabalho com superfícies mínimas e periódicas. Em 1880, idealizou estruturas com geometrias complexas e curvatura negativa – como as de uma sela de cavalo. Cem anos depois, seu modelo matemático recebeu um upgrade do físico mexicano Humberto Terrones e do químico inglês Alan Mckay. As melhorias propostas poderiam, teoricamente, resultar num material ultrarresistente semelhante à espuma, com características e propriedades mecânicas e eletromagnéticas incomuns.

O plano era adicionar ao modelo inicial anéis de carbono com mais de seis átomos numa malha hexagonal de grafite. Tal acréscimo poderia dar origem a estruturas periódicas com curvatura negativa como as imaginadas por Schwarz. Batizado de schwarzita, o material ultrarresistente de Terrones e Mckay seria semelhante aos zeólito – mineral com estrutura porosa e tridimensional. As schwarzitas representariam, portanto, estruturas cristalinas esponjosas com potencial para somar centenas de átomos e células porosas. Contudo, elas também ficaram na teoria – pelo menos até agora. Recentemente, uma parceria entre pesquisadores brasileiros e americanos encontrou uma maneira prática de produzir esses materiais em escala macroscópica.

 

DA ESCALA ATÔMICA À MACROSCÓPICA COM A IMPRESSÃO 3D

Transformar teoria em prática. É o que têm feito os pesquisadores do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp). Em colaboração com colegas da Rice University (EUA), eles conseguiram reproduzir em escala macroscópica materiais só existentes em escala atômica. Eles utilizaram algoritmos para projetar modelos de estruturas porosas de duas diferentes “famílias” de schwarzitas – a primitiva e a giromana.

Modelagem para impressão 3D

Modelos tridimensionais criados para impressão

Os modelos moleculares da família primitiva continham 48 e 192 átomos por unidade de célula, respectivamente. Por sua vez, os modelos da família giromana tinham 96 e 384 átomos. As estruturas possuíam superfícies mínimas periódicas, conforme as que foram concebidas originalmente por Schwarz. Os dados das quatro estruturas moleculares foram compilados em padrões tridimensionais por um software de modelagem computacional. Em seguida, esses modelos foram produzidos em polímero, utilizando a tecnologia de impressão 3D. Todos os materiais foram reproduzidos na forma de cubos com alguns centímetros de lado.

As etapas envolveram o desenvolvimento de um material com propriedades exóticas, como a schwarzita, em escala atômica. A partir dele é que foi construído um modelo em macroescala, exportado ao mundo físico a partir da impressão 3D. Por fim, bastou verificar se a estrutura mantinha as propriedades do modelo idealizado no século XIX. Em especial, seu altíssimo grau de resistência. Os resultados surpreenderam os pesquisadores, que já imaginam possíveis aplicações para as novas estruturas. Entre elas, proteção em balística (em coletes à prova de bala) e em componentes resistentes a impactos e altas cargas. Estas últimas, para aplicação em edifícios, carros e aeronaves, por exemplo. Por se tratar de um polímero, entretanto, testes mais detalhados ainda precisam ser levados a efeito.

A seguir, confira o vídeo (em inglês) sobre o processo de construção das estruturas das schwarzitas:

 

 

Imagens: Rice University/Divulgação
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