NIST utiliza moléculas de corante para observar interior dos compósitos
Investigadores do NIST desenvolveram uma forma de incorporar uma sonda de detecção de danos num compósito leve feito de epoxy e seda.
Pedro Cristino
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Uma equipa de investigadores do National Institute of Standards and Technology (NIST), dos Estados Unidos, descobriu uma forma de utilizar moléculas de corante para conseguir observar o interior de materiais compósitos que se encontram em teste para utilização em pontes, automóveis e artigos desportivos.
Segundo o artigo publicado pelo NIST, os consumidores procuram veículos eficientes em termos de combustíveis e artigos desportivos de alta performance, enquanto o poder local pretende pontes resistentes aos efeitos do clima, e os fabricantes querem formas mais eficientes para produzir automóveis e aviões fiáveis.
Neste sentido, segundo o instituto, o que é necessário são novos compósitos leves, de rendimento energético eficiente que não sofram fissuras ou quebras mesmo após uma exposição prolongada à pressão ambiental ou estrutural. Para tornar isso possível, os investigadores do NIST desenvolveram uma forma de incorporar uma sonda de detecção de danos num compósito leve feito de epoxy e seda.
A sonda poderia acelerar os testes de produto e, potencialmente, reduzir a quantidade de tempo e materiais necessários para o desenvolvimento de muitos tipos de novos compósitos, afirma o NIST, explicando que a sua equipa criou esta sonda a partir de um corante conhecido como Rodamina Espironolactona (RS), que se altera de um estado escuro para um estado clara, em reacção à aplicação de força.
Nesta experiência, a molécula foi acolada a fibras de seda contidas num compósito à base de epoxy. À medida que foi sendo aplicada cada vez mais força no compósito, a pressão e a tensão activaram a RS, causando a sua reacção, quando estimulada por um laser.
Segundo o instituto, embora a alteração não seja visível a olho nu, um laser vermelho e um microfone construídos e desenhados pelo NIST foram utilizados para fotografar o interior do compósito, mostrando “até as mais diminutas fissuras e quebras no seu interior, e revelando pontos onde a fibra havia fracturado”.
Os materiais utilizados na concepção de compósitos são diversos, afirma o NIST, referindo que, na natureza, compósitos como a carapaça do caranguejo ou a presa do elefante são constituídos por proteínas e por polissacarídeos. Neste estudo, a epoxy foi combinada com filamentos de seda, preparados pela equipa do professor Fritz Vollrath, na Universidade de Oxford, usando bichos-da-seda.
Os compósitos de polímeros reforçados com fibra, como o que foi utilizado neste estudo, combinam, segundo o instituto, os aspectos “mais benéficos” dos componentes principais, que consistem na força da fibra e na resistência do polímero. Todavia, o que todos os compósitos têm em comum é a presença de um interface onde os componentes se encontram.
Neste aspecto, os investigadores explicam que a resiliência desse interface é “crítica para a capacidade de resistir a danos do compósito”. “Interfaces que são finos mas flexíveis são frequentemente preferidos pelos projectistas e fabricantes, mas é muito desafiante medir as propriedades do interface num compósito”, sublinham.
De acordo com Jeffrey Gilman, “há muito que existem formas de medir as propriedades macroscópcias dos compósitos”. Todavia, “há décadas que o desafio tem sido determinar o que está a acontecer no interior, no interface”, explica o investigador. Uma das opções consiste na imagiologia óptica, todavia, os métodos convencionais são apenas capazes de gravar imagens a escalas tão pequenas como 200-400 nanómetros.
Alguns interfaces têm espessuras de apenas entre 10 a 100 nanómetros, o que torna estas técnicas “algo ineficazes” para representar graficamente a interfase nos compósitos. Ao instalar a sonda RS no interface, os investigadores conseguiram “ver” os danos “exclusivamente no interface”, utilizando microscopia óptica.
Os investigadores do NIST planeiam agora expandir a sua investigação para explorar a forma como estas sondas poderão ser utilizadas noutro tipo de compósitos e, segundo o instituto, pretendem também utilizá-las para aumentar a capacidade de resistência destes compósitos ao calor e ao frio.
No artigo, é frisada a “tremenda procura” por compósitos que resistam a exposição prolongada à água, especialmente para utilização na construção de componentes mais resilientes para infra-estruturas como pontes ou pás gigantes para as turbinas eólicas. Neste contexto, a equipa tem nos seus planos continuar a procurar mais formas de utilização destes sensores de danos para melhorar os padrões dos compósitos existentes e criar novos padrões para os compósitos do futuro, “assegurando que esses materiais são seguros, resistentes e fiáveis”.
“Temos agora um sensor de danos para ajudar a optimizar os compósitos para aplicações diferentes”, afirmou Gilman. Segundo o investigador, se alguém quiser tentar uma alteração na concepção, “pode saber se a alteração feita melhorou ou enfraqueceu o interface de um compósito”.