D31 Nanoindentação de cutícula

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As propriedades mecânicas da cutícula dos insetos variam tanto de uma região para outra que é necessário medi-las em uma escala muito local, com uma resolução da ordem de micrômetros. Isso fez da nanoindentação a técnica padrão para caracterizar mecanicamente a cutícula, ponto a ponto.

Essa nanoindentação é realizada com um indentador de diamante de geometria muito bem definida, na forma de uma pirâmide de três lados conhecida como geometria de Berkovich, cujo ápice se abre em um ângulo característico de pouco mais de sessenta e cinco graus, medido a partir do eixo central. Esse indentador penetra na cutícula sob uma carga que é controlada com precisão crescente, enquanto um sensor registra, com uma resolução da ordem de nanômetros, a profundidade exata de penetração a cada instante. Todas as informações mecânicas do teste estão contidas na curva que relaciona essa carga a essa profundidade.

A partir dessa curva de carga versus profundidade, o método de Oliver-Pharr permite a extração tanto do módulo de Young quanto da dureza da cutícula, com base na rigidez inicial do indentador durante o descarregamento: logo no início do descarregamento, ocorre apenas a recuperação elástica do material, possibilitando isolar a resposta puramente elástica da cutícula da deformação plástica permanentemente impressa sob o indentador.

Para uma extração precisa do módulo de Young, a função de área do indentador deve ser calibrada previamente, pois a ponta real do indentador nunca mantém uma geometria de Berkovich perfeita até o final. Essa calibração é realizada indentando um material de referência bem conhecido, um vidro de sílica fundida com um módulo de Young de aproximadamente setenta e dois gigapascais, permitindo a correção de qualquer desvio entre a geometria ideal do indentador e sua forma real.

Uma vez calibrado desta forma, o ensaio de nanoindentação revela o quanto as propriedades mecânicas da cutícula do inseto variam espacialmente de uma região para outra: as regiões articulares, muito mais macias, apresentam um módulo de Young de apenas alguns megapascais, enquanto as mandíbulas, muito mais rígidas, apresentam um módulo de Young milhares de vezes maior, da ordem de vários gigapascais — uma diferença tão marcante que cada tipo de região desempenha uma função mecânica completamente distinta dentro do corpo do inseto, e isso pode ser mapeado com a mesma resolução micrométrica usada para realizar cada indentação individual.

Além dessa rigidez elástica, mantendo a carga do indentador constante por um período prolongado, também é possível caracterizar o componente viscoelástico da cutícula, observando o quanto o indentador continua a afundar mesmo que a carga não aumente mais, um fenômeno conhecido como fluência: a cutícula hidratada apresenta muito mais fluência do que a cutícula seca, o que significa que o teor de água da cutícula acaba sendo, juntamente com a arquitetura da própria região indentada, um dos fatores que mais determinam as propriedades mecânicas da cutícula do inseto.

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