Ao utilizar técnicas de imagem inovadoras, os pesquisadores demonstraram que a complexidade da fissura aumenta a tenacidade do material, desafiando as visões tradicionais e sugerindo novas abordagens no projeto e teste de materiais. Crédito: SciTechDaily.com
Ao capturar um raro vislumbre da formação tridimensional de fissuras em sólidos frágeis, os pesquisadores da EPFL descobriram que fissuras complexas requerem mais energia para avançar do que as simples; uma descoberta que poderia melhorar o teste e o desenvolvimento de materiais.
A última vez que você deixou cair uma caneca favorita ou sentou-se sobre os óculos, você pode estar preocupado demais para prestar atenção no intrincado padrão de rachaduras que apareceu no objeto quebrado. Mas capturar a formação de tais padrões é a especialidade de John Kolinski e sua equipe do Laboratório de Engenharia Mecânica de Interfaces Suaves (EMSI) da Escola de Engenharia da EPFL. O objetivo deles é entender como as rachaduras se propagam em sólidos frágeis, o que é essencial para desenvolver e testar materiais compósitos seguros e econômicos para uso em construção, esportes e engenharia aeroespacial.
Os cientistas induziram rachaduras em amostras de hidrogel com um canivete suíço padrão. Crédito: EMSI EPFL CC BY SA
Compreendendo a complexidade do crack 3D
Mas as abordagens mecânicas tradicionais para analisar a formação de fissuras assumem que as fissuras são planares – isto é, que se formam na superfície bidimensional de um material. Na verdade, fissuras planares simples são apenas a ponta do iceberg: a maioria das fissuras – como aquelas que ocorrem em sólidos frágeis como o vidro – propagam-se em redes tridimensionais de cristas e outras características complexas.
Devido à opacidade do material e à velocidade com que se formam fissuras, observar esta complexidade em tempo real é extremamente difícil. Mas agora, armados com um canivete suíço e um microscópio confocal, Kolinski e a sua equipa conseguiram fazer exatamente isso – e descobriram uma correlação positiva entre a complexidade da fissura e a resistência do material no processo.
“A energia necessária para provocar fissuras tem sido tradicionalmente considerada uma propriedade do material, mas o nosso trabalho produz insights únicos sobre o papel fundamental da geometria: nomeadamente, que ao aumentar a complexidade das características geométricas na ponta da fissura, um material pode tornar-se efetivamente mais tenaz. , porque é necessária mais energia de deformação para avançar uma trinca complexa do que uma simples”, diz Kolinski. “Isso destaca uma lacuna importante na teoria atual para fissuras 3D.”
Os resultados do laboratório foram publicados recentemente em Física da Natureza.
Uma ligação fundamental entre comprimento e força
O método dos pesquisadores envolveu a criação de fatias muito finas de quatro hidrogéis diferentes e um elastômero. Transparentes e quebradiços, mas fáceis de deformar e medir sem estilhaçar, os hidrogéis serviram como proxy para a compreensão de como as rachaduras se formam no vidro e nos plásticos quebradiços. O elastômero também era um substituto para materiais como borracha e polímeros de silicone.
Embora as rachaduras experimentais tenham sido observadas com um microscópio confocal de última geração, elas foram induzidas usando um canivete suíço padrão: a ação de cisalhamento da tesoura do dispositivo produziu naturalmente rachaduras geometricamente complexas nas amostras de hidrogel. Usando um aparelho personalizado desenvolvido pela equipe EMSI para controlar o alinhamento e o carregamento da amostra, uma série de imagens fluorescentes foi gerada com o microscópio confocal e depois empilhadas para montar um mapa tridimensional exclusivo de cada superfície de fratura.
“As pessoas sabem há muito tempo que as fissuras podem se tornar complexas ao observar as superfícies da fratura após o fato, mas o que se perde é a compreensão das condições de carga quando a fissura surgiu ou a quais forças a amostra foi exposta”, explica Kolinski. “Nosso método de imagem inovador tornou possível caracterizar rigorosamente essa relação no local.”
Uma renderização de dados frontais de trincas 3D em um hidrogel frágil registrado com um microscópio confocal de fluorescência. Crédito: EMSI EPFL CC BY SA
Insights e implicações experimentais
Em poucas palavras, esses experimentos revelaram que a energia de deformação necessária para acionar as trincas da amostra era diretamente proporcional ao comprimento das pontas das trincas. Isto sugere que o aumento da complexidade geométrica de uma trinca 3D gera mais superfície de fratura à medida que a trinca avança, exigindo assim energia de deformação adicional para acioná-la.
Noutra experiência, os investigadores mostraram como, à medida que uma fissura mais suave se aproximava de um obstáculo rígido embutido na amostra, a simetria planar da fissura era quebrada, aumentando tanto o comprimento da ponta da fissura como a energia necessária para impulsionar a fissura para a frente.
“O fato de podermos isolar como a complexidade geométrica emerge com tanta falta de homogeneidade no material pode motivar novas abordagens de design”, diz Kolinski. “Nosso trabalho também destaca a importância do cuidado na realização de testes de materiais, pois agora sabemos que qualquer desvio geométrico de uma frente de trinca planar pode levar a uma medição incorreta – e a uma superestimação potencialmente perigosa – da tenacidade do material.”
Referência: “Complexidade da geometria da frente de trinca aumenta a tenacidade de sólidos frágeis” por Xinyue Wei, Chenzhuo Li, Cían McCarthy e John M. Kolinski, 22 de março de 2024, Física da Natureza.
DOI: 10.1038/s41567-024-02435-x
