Mais forte do que concreto: cimento inspirado em osso humano é 5 vezes mais resistente a danos

Materiais de construção à base de cimento, especialmente aqueles utilizados na edificação de estruturas, precisam apresentar características de resistência e tenacidade em níveis elevados. A resistência se refere à habilidade de um material em suportar diversas cargas sem sofrer danos, enquanto a tenacidade está relacionada à capacidade de uma estrutura em resistir a fissuras e outros tipos de comprometimento ao longo do tempo.

Recentemente, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Princeton desenvolveu uma massa de cimento inovadora que se destaca pela sua força impressionante, sendo 5,6 vezes mais robusta do que os cimentos e argamassas tradicionais. O estudo foi publicado na revista Advanced Materials.

Essa pasta inovadora é projetada com uma estrutura tubular, cuja inspiração vem da anatomia do osso humano, especificamente a camada externa do fêmur, o osso da coxa. Essa abordagem biomimética, que replica a eficiência das estruturas naturais, não só aumenta a resistência do material, mas também melhora sua capacidade de absorver impactos e resistir a danos, garantindo edificações mais seguras.

Arquitetura inovadora

Segundo os pesquisadores, “A pasta de cimento implantada com uma arquitetura semelhante a um tubo pode aumentar significativamente a resistência à propagação de fissuras e melhorar a capacidade de deformação sem falha repentina.” Chamada de pasta de cimento bioinspirada, ela também tem o potencial de substituir 
materiais plásticos e de cimento reforçados com fibras.

Nesse contexto, um edifício construído com materiais que possuam baixa resistência está sujeito ao risco de colapso de maneira inesperada, o que pode resultar em danos significativos tanto para a propriedade quanto para a segurança das pessoas.

Segundo Shashank Gupta, pesquisador principal e doutorando da Universidade de Princeton, “um dos grandes desafios enfrentados na engenharia de materiais de construção frágeis é que eles falham de maneira abrupta e catastrófica”.

Por essa razão, torna-se essencial o desenvolvimento de materiais de construção que possuam elevada resistência a fissuras. Além disso, em situações onde ocorrem danos, esses materiais devem ser projetados para distribuir o impacto de forma segura ao longo de toda a estrutura, evitando que isso leve a um colapso súbito.

Ciência por trás do super cimento

Na busca por compreender a ciência por trás do cimento resistente a rachaduras, os pesquisadores se dedicaram a identificar materiais que possuíam, de forma intrínseca, elevadas características de resistência e tenacidade.

Durante suas investigações, eles se depararam com o osso cortical humano, uma estrutura que demonstra grande capacidade de resistir a fraturas, conferindo ao fêmur a robustez necessária para suportar o peso do corpo humano.

De acordo com Gupta, “o osso cortical é composto por elementos tubulares elípticos, conhecidos como ósteons, que estão sutilmente integrados em uma matriz orgânica”. Essa configuração arquitetônica singular tem a habilidade de desviar o percurso de fissuras ao longo da estrutura, redirecionando-as em torno dos ósteons. Esse mecanismo não apenas evita falhas abruptas, mas também aumenta significativamente a resistência geral do material à propagação de rachaduras.

Estrutura tubular

Inspirados pela arquitetura tubular do osso cortical, os pesquisadores realizaram uma pasta de cimento inovadora que incorpora tubos cilíndricos e elípticos em sua composição. Essas estruturas tubulares têm o efeito de aprimorar as propriedades do cimento em relação à resistência às rachaduras, de maneira semelhante à função dos ósteons que conferem robustez ao fêmur.

Por exemplo, quando uma fissura surge em uma estrutura construída com essa pasta de cimento, os tubos atuam como barreiras que restringem a propagação da rachadura, retardando sua evolução para outras partes da construção.

Esse processo de contenção é crucial, pois absorve a energia que, caso contrário, acelera o crescimento da fissura. Ao dissipar essa energia, o cimento ganha um tempo adicional para resistir aos danos, contribuindo assim para a prevenção de um colapso abrupto da estrutura.

Segundo Gupta, “o que torna esse mecanismo gradual realmente único é o fato de que cada extensão da trinca é cuidadosamente controlada, evitando falhas catastróficas súbitas. Em vez de romper de uma vez, o material tem capacidade de suportar danos progressivos, aumentando significativamente sua resistência.”