D32 Ensaios de tração uniaxiais

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O comportamento mecânico completo da cutícula do inseto, desde a deformação elástica inicial até sua ruptura final, incluindo o estágio intermediário de deformação plástica, só pode ser totalmente observado por meio de testes de tração uniaxial. Esses testes envolvem o estiramento da amostra de cutícula de maneira controlada até que ela se rompa, registrando sua resposta em cada estágio.

Para realizar esse teste de tração, as amostras de cutícula são preparadas cortando-se tiras com uma orientação bem definida em relação às fibras de quitina que reforçam o material. Isso permite comparar como a mesma cutícula responde quando puxada na mesma direção dessas fibras versus em uma direção diferente, revelando assim a anisotropia inerente do material.

Durante o mesmo teste de tração, a força aplicada à tira de cutícula é medida com uma resolução da ordem de micronewtons, enquanto o deslocamento da amostra é medido com uma resolução da ordem de nanômetros. Isso é obtido usando microscopia eletrônica ou técnicas de correlação de imagem digital. Essa combinação de resoluções tão finas possibilita a construção de uma curva tensão-deformação completa para a tira de cutícula.

A partir da porção inicial da curva tensão-deformação, onde a resposta da cutícula ainda é puramente elástica e segue uma linha reta, extrai-se o módulo de Young da amostra. Esse valor é determinado diretamente pela inclinação dessa linha inicial, o que significa que esse módulo de Young reflete apenas a rigidez elástica da cutícula, sem qualquer contribuição da deformação permanente subsequente.

Mais adiante nessa mesma curva, quando a cutícula deixa de se comportar puramente elasticamente e começa a se deformar permanentemente, atinge-se a resistência ao escoamento da cutícula. Traçando uma linha reta paralela à porção elástica inicial, mas deslocada por apenas dois milésimos de grau de deformação, o ponto exato onde essa linha deslocada intercepta a curva real da cutícula é definido, por convenção, como essa resistência ao escoamento.

Se a curva tensão-deformação continuar sendo registrada até que a cutícula finalmente se rompa, a área total delimitada por essa curva define a tenacidade da cutícula, uma grandeza diretamente proporcional à energia que a amostra absorve antes de fraturar. Isso significa que um material mais resistente é, por definição, um material capaz de absorver mais energia antes de falhar completamente.

A comparação dessas três propriedades em diferentes regiões do inseto revela um contraste marcante: a cutícula esclerotizada da mandíbula combina alta dureza e módulo de Young com baixa tenacidade, fazendo com que ela se comporte de forma frágil e se rompa com mínima deformação prévia. Por outro lado, a cutícula da articulação, reforçada com resilina e proteínas macias, combina baixa dureza com alta tenacidade, resultando em comportamento dúctil e na capacidade de absorver uma grande quantidade de energia antes de se romper.

A repetição desses mesmos testes de tração em cutículas submetidas a diferentes níveis de umidade também revela que a água atua como um agente plastificante para a cutícula: à medida que a umidade aumenta, a cutícula torna-se menos rígida e mais deformável antes de se romper. Isso faz com que o teor de água, juntamente com a orientação das fibras de quitina e a região do corpo do inseto de onde a amostra é retirada, seja um dos fatores mais significativos que determinam o comportamento mecânico geral da cutícula sob tensão.

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