Ling Li, professor assistente de engenharia meca¢nica na Virginia Tech, descobriu como construir cera¢micas cada vez mais resistentes ao estudar as conchas de moluscos bivalves.

Essa perspectiva éformada observando-se a capacidade dos blocos de construção minerais ba¡sicos na casca de antecipar fraturas, em vez de focar apenas na forma e na química da estrutura . Os resultados das descobertas de seu grupo foram publicados na edição de 10 de novembro de 2020 da Nature Communications .

A equipe de Li conduziu uma análise aprofundada das estruturas microsca³picas das conchas de moluscos de concha de caneta, bivalves nativos do Caribe. As conchas desses animais consistem em duas camadas, uma camada interna de na¡car e uma camada externa de cor marrom. A camada interna de na¡car, também conhecida como madrepanãrola, costuma ser iridescente devido a  sua estrutura de camadas nanosca³picas regulares, semelhante ao mecanismo de coloração de muitas asas de mosca-garrafa.

A equipe de Li focou sua atenção na camada externa, que écomposta de cristais de calcita em forma de prisma dispostos em um padrãode mosaico. Entre os cristais minerais adjacentes, interfaces orga¢nicas muito finas (aproximadamente 0,5 micra´metros, menos de um centanãsimo do tamanho de um cabelo humano) estãopresentes que colam os cristais. Os cristais de calcita medem aproximadamente meio mila­metro de comprimento e 50 micra´metros de dia¢metro, assemelhando-se a prismas alongados.

Ao contra¡rio de muitos cristais geola³gicos ou sintanãticos, onde os a¡tomos dentro de seus gra£os cristalinos estãoperfeitamente organizados de forma peria³dica, os cristais de calcita nas ca¡psulas de caneta contem muitos defeitos nanosca³picos, principalmente compostos de substâncias orga¢nicas.

“Vocaª pode considerar a cera¢mica biológica, neste caso os cristais de calcita das conchas de caneta, como uma estrutura composta, onde muitas inclusaµes nanomanãtricas são distribua­das dentro de sua estrutura cristalina”, disse Li. "Isso éespecialmente nota¡vel porque o pra³prio cristal de calcita ainda éum aºnico cristal."

Normalmente, a presença de defeitos estruturais significa um local de falha potencial. a‰ por isso que a abordagem normal éminimizar as descontinuidades estruturais ou concentrações de tensaµes em estruturas de engenharia. No entanto, a equipe de Li mostra que o tamanho, espaa§amento, geometria, orientação e distribuição desses defeitos em nanoescala dentro do biomineral são altamente controlados, melhorando não apenas a resistência estrutural, mas também a tolera¢ncia a danos por meio de rachaduras e fraturas controladas.

Quando essas cascas são submetidas a uma força externa, o cristal minimiza o escoamento pla¡stico impedindo o movimento de deslocamento, um modo comum de deformação pla¡stica em calcita pura, auxiliado por esses defeitos nanosca³picos internos. Este mecanismo de reforço tem sido aplicado em muitas ligas meta¡licas estruturais, como a liga de aluma­nio.

Além de adicionar resistência, esse projeto permite que a estrutura use seus padraµes de rachaduras para minimizar os danos ao revestimento interno. O padrãode intertravamento em mosaico dos cristais de calcita na camada do prisma contanãm ainda danos em grande escala quando a força externa éespalhada pelos cristais individuais. A estrutura écapaz de rachar para dissipar a energia de carga externa sem falhar.

"Claramente, esses defeitos nanosca³picos não são uma estrutura aleata³ria, mas, em vez disso, desempenham um papel significativo no controle das propriedades meca¢nicas desta cera¢mica natural", disse Li. "Por meio dos mecanismos descobertos neste estudo, o organismo realmente transforma a calcita originalmente fraca e quebradia§a em uma armadura biológica forte e dura¡vel. Estamos agora experimentando possa­veis processos de fabricação, como a impressão 3-D, para implementar essas estratanãgias para desenvolver compósitos de cera¢mica com propriedades meca¢nicas aprimoradas para aplicações estruturais. "