José Xavier desenvolve investigação na Univ. Nova de Lisboa

José Xavier desenvolve investigação sobre materiais capazes de imitar propriedades de tecidos biológicos.

José Xavier é investigador na Unidade de Investigação e Desenvolvimento em Engenharia Mecânica e Industrial (UNIDEMI), na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa (FCT/NOVA). Esta investigação, da qual faz parte José Xavier, marido da vizelense Carla Vilela, foi destacada no porgrama “90 segundos de Ciência”, da “Antena 1”. O RVJornal falou com José Xavier.

 

RVJornal (RVJ) – Quais as questões que o movem na investigação que está a desenvolver?

José Xavier (JX) - Uma questão que nos intriga é: porque é que os sistemas ou, concretamente, os materiais biológicos são tão eficientes no desempenho das funções para os quais foram criados? A Biomimética é um ramo da ciência que procura dar uma resposta a esta questão, pelo estudo das estruturas biológicas e as suas funções. As soluções que podemos observar na natureza são patentes, registadas ao longo da evolução, e representam uma biblioteca de inspiração para soluções de engenharia, sobre a qual acreditamos ser possível acrescentar inovação e sustentabilidade.

Na UNIDEMI estamos a desenvolver tecnologia e projeto mecânico com vista à criação de soluções, numa visão que designamos de engenharia auxiliada por Biomimética. Estamos, nomeadamente, a estudar materiais, quer biológicos quer sintéticos, com propriedades mecânicas específicas em função do contexto ou aplicação em que estes se inserem.

 

RVJ - Esta área do conhecimento parece transversal a várias ciências, que metodologias e recursos são necessários para este tipo de investigação?

JX - Para desenvolver este projeto temos constituído na UNIDEMI uma equipa multidisciplinar e laboratórios com valências complementares, que passam pela possibilidade de imprimir materiais metálicos e outros, modelar computacionalmente a composição química e estrutura dos materiais e, por fim, medir o comportamento mecânico de novos materiais através de ensaios assistidos por técnicas óticas de imagem digital.

 

RVJ - Que tipo de materiais estão a desenvolver com base neste conceito de engenharia assistida por Biomimética?

JX - Uma das linhas de investigação passa pela criação de materiais não homogéneos, eventualmente, inspirados no desempenho dos materiais biológicos, e que são caraterizados por terem uma variação de composição química e estrutural no seu volume. Estes materiais são distintos dos materiais de engenharia mais comuns com que estamos habituados a lidar, como por exemplo o aço ou o alumínio, para o qual se pretende que sejam uniformes e contínuos.

 

RVJ - Na prática como se podem obter estes materiais heterogéneos?

JX - O processo tecnológico que está a ser usado e desenvolvido para a criação desta nova classe de materiais heterogéneos é a impressão 3D customizada. Existem vários processos associados a este tipo de fabrico aditivo, que usam a fundição de pó ou fio. O que estamos a usar é um processo de fusão de metal de enchimento em forma de multifio, no qual é possível gerar a fundição de percentagens distintas de materiais de base, dando origem a um material final com gradiente de composição química e, consequentemente, propriedades mecânicas.

 

RVJ - Que outras metodologias complementam a impressão 3D na criação desta classe de novos materiais?

JX - O projeto e desenvolvimento destes materiais com gradiente de funcionalidade é também assistido por simulação numérica. Para esse efeito, estamos a usar algoritmos de otimização de topologia. Este é um método computacional que, de acordo com um objetivo definido, otimiza o material, dimensões, forma ou topologia de um produto.

 

RVJ - Quer dar um exemplo prático?

JX - Dando um exemplo clássico: o de uma placa com um furo. Imagine-se uma placa, de pequena espessura com um furo no seu centro, submetido a uma força de tração, que tende a esticar a placa numa direção. O que se observa para um material de engenharia comum (homogéneo) é que, na vizinhança do furo, a tensão que o material experimenta tende a ser três vezes superior à tensão média – que é calculada em função da área resistente da placa e da força aplicada. Contudo, é possível projetar uma placa com furo constituída por um material com gradiente de funcionalidade, nomeadamente à volta do furo, para diminuir o nível de tensão sentido pelo material nesta região. Este alívio de tensões é benéfico para a integridade estrutural da placa ao longo do seu ciclo de vida.

 

RVJ - Como é possível verificar o seu desempenho mecânico deste tipo de materiais com gradiente de funcionalidade?

JX - O comportamento mecânico dos materiais é tipicamente obtido através de observações experimentais. Nestes ensaios medem-se as deformações que o corpo sofre quando submetido a forças externas. Imagino que numa estratégia semelhante ao que a psicologia usa para compreender o comportamento humano. Pelo desenvolvimento destas metodologias, procura-se obter o horóscopo dos materiais (em termos de previsão do comportamento mecânico). A indústria atual faz ensaios mecânicos sobre componentes ou produtos (como é o caso das indústrias do calçado e do têxtil). Mas usam ainda métodos normalizados que se baseiam em tecnologia que já tem várias décadas. Uma das linhas de investigação na UNIDEMI é que se procura estender a fronteira do conhecimento nesta área, pela proposta de uma nova geração de ensaios mecânicos, baseados em sensores de imagem digital.

 

RVJ - Em forma de síntese, como resume este trabalho de investigação?

JX - O objetivo é a criação de materiais com gradiente de funcionalidade – que podem e devem inspirar-se em materiais biológicos como a madeira ou tecido ósseo, por exemplo – embebendo propriedades mecânicas, adaptadas e otimizadas ao tipo de solicitações de projeto. Espera-se com esta abordagem mitigar problemas recorrentes como a concentração de tensões em peças estruturais e melhorar o desempenho mecânico global à fratura e fadiga.