Cupins ensinam a projetar materiais com propriedades avançadas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/09/2022

Forneça as formas básicas e as quantidades de cada forma e o programa cria o material.
[Imagem: Caltech]

Professor Cupim

Inspirando-se na maneira como os cupins constroem seus ninhos, pesquisadores desenvolveram uma plataforma para projetar novos materiais que imitam as regras fundamentais ocultas nos padrões de crescimento da natureza.

E, muito comumente, a natureza constrói as coisas usando o poder da desordem, e não da ordem.

Dentro de um ninho de cupins, por exemplo, há uma rede de estruturas assimétricas interconectadas, como o interior de um pão ou de uma esponja. Feita de grãos de areia, terra, sujeiras, esterco e saliva, essa estrutura irregular e desordenada parece arbitrária, mas um ninho de cupins é especificamente otimizado para estabilidade e ventilação.

Usando essas regras, é possível criar materiais engenheirados - alguns preferem materiais arquitetados - com propriedades programáveis específicas.

"Pensamos que, entendendo como um cupim contribui para a fabricação do ninho, poderíamos definir regras simples para projetar materiais arquitetados com propriedades mecânicas únicas," disse Chiara Daraio, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, lembrando que, quando cada cupim começa a trabalhar, ele não tem nem um projeto, não sabe o que os seus colegas estão fazendo e só pode contar com os recursos que estão ao seu alcance.

"Os cupins têm apenas alguns milímetros de comprimento, mas seus ninhos podem chegar a 4 metros de altura - o equivalente a um ser humano construindo uma casa na altura do Monte Whitney, na Califórnia," disse Daraio - o Monte Whitney tem uma proeminência local de 3km.
[Imagem: Oratile Leipego]

Quando a desordem é mais interessante que a ordem

Os materiais arquitetados são sólidos semelhantes a espumas, formados por unidades básicas que são então organizadas em estruturas 3-D, da escala nano à micrométrica. Essa é uma área onde as pesquisas têm-se concentrado em arquiteturas periódicas, em que cada célula unitária tem geometria uniforme, como um octaedro ou cubo, e então essas células unitárias são repetidas para formar uma estrutura de treliça. Tem dado alguns resultados interessantes, mas a equipe achou que seus próprios resultados tinham funcionalidades limitadas.

"Arquiteturas periódicas são convenientes para nós engenheiros porque podemos fazer suposições na análise de suas propriedades. No entanto, se pensarmos nas aplicações, elas não são necessariamente a escolha ideal de projeto," disse Daraio.

Estruturas desordenadas, como a de um ninho de cupins, são mais prevalentes na natureza do que estruturas periódicas, e muitas vezes apresentam funcionalidades superiores. Mas, até agora, ninguém havia descoberto uma maneira confiável de projetá-las.

Quando constrói seu ninho, um cupim não tem um projeto geral do ninho e só pode tomar decisões com base em regras locais. Por exemplo, um cupim pode usar grãos de areia que encontra perto de seu ninho e encaixar os grãos seguindo os procedimentos aprendidos com outros cupins: Um grão de areia redondo pode se encaixar próximo a uma forma de meia-lua para maior estabilidade.

Acontece que essas regras básicas de adjacência podem ser usadas para descrever como construir o ninho inteiro. Assim, a equipe criou um programa de computador para projetar materiais a partir de regras simples, que definem como dois blocos de materiais diferentes podem aderir um ao outro, por exemplo.

Exemplo de saída do programa de crescimento virtual.
[Imagem: Ke Liu et al. - 10.1126/science.abn1459]

Programa de crescimento virtual

O algoritmo criado pela equipe, batizado de "programa de crescimento virtual", é bastante genérico, podendo simular desde o crescimento natural de estruturas biológicas até coisas como... a construção de ninhos de cupins.

Em vez de um grão de areia ou partícula de poeira, o programa de crescimento virtual usa geometrias específicas como blocos de construção, bem como diretrizes de adjacência sobre como esses blocos podem se unir. Os blocos virtuais usados nesta primeira demonstração incluem uma forma em L, uma forma em I, uma forma em T e uma forma +.

Além disso, a disponibilidade de cada bloco de construção recebe um limite definido, imitando os recursos limitados que um cupim pode encontrar na natureza. Usando essas restrições, o programa constrói uma arquitetura em uma matriz e, em seguida, essas arquiteturas podem ser traduzidas em modelos físicos 2-D ou 3-D.

"Nosso objetivo é gerar geometrias desordenadas com propriedades definidas pelo espaço combinatório de algumas formas essenciais, como uma linha reta, uma cruz ou uma forma em 'L'. Essas geometrias podem então ser impressas em 3D com uma variedade de diferentes materiais, de acordo com as exigências das aplicações," explicou Daraio.

Os materiais projetados são então construídos e testados em laboratório.
[Imagem: Ke Liu et al. - 10.1126/science.abn1459]

Projetar materiais melhores

Imitando a aleatoriedade de um ninho de cupins, cada geometria criada pelo programa de crescimento virtual é única - alterar a disponibilidade de blocos de construção em forma de L, por exemplo, resulta em um novo conjunto de estruturas.

Variando as entradas virtuais - os materiais disponíveis para a construção e as quantidades de cada um - a equipe gerou mais de 54.000 amostras de materiais arquitetados simulados.

As simulações acabaram gerando grupos de materiais com diferentes características mecânicas, que podem determinar como um material se deforma, sua rigidez ou sua densidade. Quando esses agrupamentos são descritos graficamente, torna-se possível analisar as regras subjacentes das estruturas desordenadas, da relação entre o formato dos blocos e a disponibilidade de cada bloco até as propriedades mecânicas obtidas.

"Nós queremos entender as regras fundamentais do projeto de materiais para, então, criar materiais que tenham desempenhos superiores aos que usamos atualmente na engenharia," disse Daraio. "Por exemplo, prevemos a criação de materiais mais leves, mas também mais resistentes a fraturas ou melhores na absorção de impactos mecânicos e vibrações."

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