A Promessa de Materiais Avançados

Os materiais do futuro estão projetando uma revolução de produtos na menor das escalas, muito além do que o olho consegue ver em um microscópio. Não se descobre mais a capacidade de um material da maneira como ocorria no passado, por exemplo, quando a resistência de uma tábua de carvalho de um navio era “descoberta” quando a tábua quebrava.

Em vez disso, materiais “não naturais” estão sendo inventados pelos cientistas da TE e seus parceiros. Avanços em nanotecnologia, modelagem computacional, informática de materiais com base em IA e designs inspirados na natureza permitem que os engenheiros manipulem as propriedades e recursos de um produto de maneiras que, não muito tempo atrás, pareceriam um truque de mágica.

Chegamos ao ponto de um domínio do material em que podemos programar funções e recursos no nível molecular em objetos aparentemente inertes para atender às nossas necessidades.

A TE fabrica componentes e subsistemas essenciais de engenharia avançada presentes em incontáveis produtos, em todos os ambientes hostis aos materiais: da máquina de lavar louça na cozinha ao seu novo veículo elétrico, do corpo humano ao data center acessado por satélite por meio do qual você está lendo este artigo. Por isso, os materiais são extremamente importantes para a TE. Dessa forma, melhoramos a sustentabilidade do planeta e, ao copiar a elegância dos projetos da natureza, mudaremos a essência da fabricação.

As empresas que reconhecem o potencial de crescimento exponencial dos materiais avançados podem começar a desenvolver produtos e processos de fabricação que as ajudarão a se destacar da concorrência. Para ajudar a entender as possibilidades dos materiais avançados, pense nestas três áreas de inovação.

Quase todos os seres vivos precisam de oxigênio, e quase todos os processos de fabricação de materiais emitem gases de efeito estufa. Essa realidade representa um desafio em relação a como podemos reduzir o CO2 e ainda produzir os objetos necessários para o mundo. Infelizmente, a reciclagem por si só não é o caminho — já que esses materiais normalmente são mais difíceis de obter, custam mais e devem passar por um reprocessamento rigoroso. Além disso, precisamos observar todo o ciclo de vida dos materiais, não apenas uma fase.

Parte da resposta é recorrer a novos materiais derivados de ingredientes renováveis, oriundos de biomassas específicas, além de muitas outras opções criativas. Como um exemplo exótico, pense nos monômeros bioplásticos de shrilk. O principal ingrediente do shrilk é a quitina, a substância que forma a casca rígida de insetos e crustáceos como o camarão. A quitina é o segundo material orgânico mais abundante na Terra e pode ser processada em um material semelhante ao plástico, denominado quitosana. Quando combinada com uma proteína natural da seda denominada fibroína, a quitosana cria um material laminado mais forte que o alumínio.

Os fabricantes podem reduzir a dependência de materiais derivados do petróleo por meio da reciclagem — adicionando novos ingredientes aos materiais reciclados de qualidade inferior para transformá-los em algo mais valioso. Os 10 bilhões de garrafas de água produzidas por ano são um ótimo exemplo. Vamos supor que vamos despolimerizar essas garrafas de água (isto é, decompor em monômeros básicos). Nesse caso, podemos adicionar novos componentes materiais e, em seguida, repolimerizar (isto é, religar todos os monômeros básicos) a nova receita e criar algo único. As possibilidades são infinitas. Essas garrafas plásticas recicladas podem se tornar capas de travesseiro e conectores de alta velocidade de data centers.

Esperamos ver o surgimento de materiais “inteligentes” que oferecerão o patamar mais elevado de funcionalidade. Os materiais inteligentes reconhecem estímulos externos — como temperatura, tensão ou corrente elétrica — e reagem de maneira previsível, mudando de forma, cor ou outras propriedades.

Pense no concreto, um material que está presente em todas as partes. Apesar de sua resistência e versatilidade, rachaduras surgem ao longo do tempo, o que requer manutenção regular para que a estrutura continue intacta. Recentemente cientistas criaram um novo tipo de concreto inteligente que pode se reparar por meio de bactérias integradas. Quando as bactérias encontram água, elas produzem uma substância semelhante ao calcário que preenche as rachaduras.

A natureza está provando ser uma boa fonte de inspiração para materiais inteligentes. Afinal, a natureza desenvolveu o próprio portfólio de patentes ao longo de milhões de anos de evolução.

Um exemplo é a superfície da asa de uma libélula, com farpas incrivelmente finas quando vistas em um microscópio. Quando uma bactéria entra em contato, as farpas na asa da libélula rompem o organismo invasor e o matam.

Com base nesse modelo, a TE está desenvolvendo materiais com superfícies mecanobactericidas que usam farpas semelhantes para matar as bactérias durante o contato. Pense em um plástico antibacteriano enrolado na alça de um carrinho de compras ou no corrimão em um aeroporto — em que a superfície tocada com frequência ficará sempre esterilizada. Esse design de superfície pode ser uma nova arma contra infecções em produtos médicos ou alimentícios.

O desenvolvimento da impressão 3D já transformou o processo de fabricação e engenharia, mas os novos avanços nos materiais de impressão 3D possibilitarão ainda mais inovação. Por exemplo, os novos materiais de impressão 3D de alta qualidade podem suportar temperaturas de até 850 graus Celsius, ampliando a variedade de produtos que podem ser fabricados sob demanda, aumentando assim a flexibilidade e a viabilidade da fabricação nos locais de alto custo.

Além disso, os produtos podem ser fabricados mais rapidamente, com uma nova liberdade no design. É muito mais rápido imprimir algo a partir da tela do computador do que fazer um molde de um bloco sólido de aço endurecido.

A nova engenharia de materiais acelerará a adoção da impressão 3D e, por fim, permitirá uma nova era de produção flexível e personalização em massa, em que o material colabora com o design. Os designers de produto copiarão as lições da natureza, incorporando superfícies curvas e formas topológicas sutis, testadas pela evolução, que otimizam a troca de calor. Quando pudermos projetar e fabricar de maneira parecida com a natureza, teremos atingido um novo estágio, e a impressão 3D combinada aos novos materiais é o caminho para esse objetivo.

A história da humanidade e dos materiais evolui em conjunto. No entanto, até recentemente, “descobríamos” os materiais naturais e suas respectivas propriedades no momento em que eles eram testados com os objetos que produzíamos. Pense nas casas redondas da Idade do Ferro – surgidas quando as pessoas tentavam descobrir qual telhado de palha poderia suportar um inverno chuvoso na Europa –, ou na descoberta por acaso do concreto pelos romanos, que permitiu a construção de amplos viadutos em arco, inigualáveis até hoje. Agora, imaginamos casos de uso e depois projetamos materiais que sejam compatíveis, à medida que nosso entendimento do mundo material e nosso poder de manipulá-lo crescem exponencialmente. E esse processo fará toda a diferença. A TE pretende moldar o futuro e imprimi-lo em 3D, aplicando uma ciência de primeira aos problemas mais difíceis,  refazendo o nosso mundo em pequena escala.