EPFL desenvolve elastômero impresso em 3D com tenacidade à fratura 15 vezes maior e resistência à fadiga 3 vezes superior

De acordo com pt.wedoany.com-Pesquisadores da École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), na Suíça, desenvolveram um elastômero impresso em 3D que combina alta resistência à fratura com alta resistência à fadiga, resolvendo uma compensação crítica que até então limitava a aplicação de materiais macios em robótica, eletrônicos vestíveis e dispositivos biomédicos.

O estudo, liderado pelo Laboratório de Materiais Macios (Soft Materials Laboratory), foi publicado na revista Science Advances. A pesquisa mostra que a versão de melhor desempenho — denominada elastômeros granulares de dupla rede (double network granular elastomers, DNGEs) — apresenta tenacidade à fratura 15 vezes maior e resistência à fadiga 3 vezes superior em comparação com elastômeros tradicionais de rede única e de dupla rede em massa com a mesma composição química.

A estrutura dos DNGEs é composta por micropartículas de elastômero rígido conectadas por uma segunda rede polimérica mais macia. Os pesquisadores projetaram inicialmente essa estrutura para que o material pudesse ser extrudado como tinta para impressão 3D, com propriedades mecânicas finamente controláveis.

A equipe, incluindo a autora correspondente Esther Amstad, descobriu que essa arquitetura também permite que o material dissipe energia mecânica repetidamente sem acumular danos permanentes. O estudo aponta que essa combinação é muito rara: normalmente, elastômeros resistentes à fratura se degradam sob estresse repetido, enquanto elastômeros resistentes à fadiga tendem a romper quando esticados excessivamente.

Amstad, diretora do Laboratório de Materiais Macios da EPFL, afirmou que o foco inicial era melhorar a processabilidade, mas, uma vez formada a estrutura granular, descobriu-se que esses materiais também são muito resistentes. Ela explicou que essa resistência decorre em grande parte de um mecanismo repetido de dissipação de energia, permitindo que o material absorva energia repetidamente sem se romper de forma irreversível.

Quando esticados, os DNGEs transferem a deformação mecânica das micropartículas mais rígidas para as regiões de lacuna mais macias entre elas, onde as cadeias poliméricas podem deslizar e se reorganizar para dissipar energia, em vez de se romperem irreversivelmente. Amstad explicou que, essencialmente, duas redes diferentes — uma composta por elastômero granular e a outra por elastômero macio — compartilham a deformação mecânica entre si, tornando o material como um todo mais forte. O estudo também aponta que a estrutura granular força as trincas a crescerem ao longo de caminhos sinuosos através das regiões de lacuna mais macias, em vez de caminhos retos, retardando seu crescimento e atrasando a falha.

Aproveitando a capacidade de impressão do material, os pesquisadores fabricaram por impressão 3D compósitos com variação local de composição, incluindo estruturas reforçadas com fibras e designs núcleo-casca inspirados nas fibras do bisso do mexilhão, combinando rigidez com tenacidade e resistência à fadiga normalmente encontradas apenas em formulações mais macias. Essas tintas foram extrudadas usando impressoras 3D comerciais.

A equipe atualmente trabalha na formulação de elastômeros a partir de materiais biodegradáveis e recicláveis. Amstad afirmou que o objetivo é adotar materiais mais sustentáveis sem comprometer as propriedades mecânicas. Ao ampliar a gama de materiais utilizáveis, é possível não apenas reduzir a pegada ambiental dos DNGEs, mas também torná-los mais acessíveis a qualquer laboratório que possua uma impressora 3D comercial.