Este material granular pode ser comprimido e ainda flui como líquido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 23/04/2024

Os tetrápodes são exemplos de material engenheirado que não se deixa comprimir.
[Imagem: Nelo Hotsuma]

Materiais granulares

Quando você anda pela praia, caminha pela areia sem problemas: A areia parece sólida e é difícil de comprimir. Mas pegue um punhado dela, coloque numa ampulheta, e os mesmos grãos naturalmente se comportarão de maneira muito diferente: A areia irá fluir como um líquido.

A areia é apenas um exemplo dos chamados materiais granulares, sistemas de partículas que impactam em larga medida o mundo natural e o mundo humano, incluindo ditar o fluxo das avalanches, a qualidade do concreto na construção civil, como os grãos são armazenados em silos e até mesmo a mistura de fármacos para a produção de medicamentos.

Essa amplitude tem justificado inúmeras pesquisas com vistas à exploração e ao domínio das propriedades desses materiais. Por exemplo, em materiais granulares feitos em laboratório, os cientistas já conseguiram ajustar suas propriedades de fluxo "líquido", como na areia na ampulheta; mas as propriedades de compressibilidade "sólidas", como a areia na praia, têm sido difíceis de domar.

Veja o caso dos tetrápodes, enormes blocos de concreto com quatro patas que evitam a erosão das estruturas costeiras, muito comuns na costa do Japão. Juntos, esses tetrápodes formam um metamaterial granular: Um material granular como a areia, mas projetado e fabricado pelo homem. Os tetrápodes têm essa forma por um bom motivo: As pernas estendidas dificultam muito o fluxo de uma pilha desses blocos. Assim, ao contrário dos pedregulhos comuns, eles permanecem no lugar e, como resultado, fazem o que deveriam fazer: Evitar que o litoral seja alterado.

O exemplo dos tetrápodes mostra que é relativamente fácil fabricar materiais granulares quase incompressíveis, que apresentam uma fluidez muito pior do que a da areia. No outro extremo do espectro, contudo, vinha sendo muito difícil criar um material que seja fácil de comprimir e flua melhor do que a areia.

Os grânulos pertencem à classe dos materiais auxéticos.
[Imagem: Daan Haver et al. - 10.1073/pnas.2317915121]

Compressibilidade e fluidez

Agora, pesquisadores da Universidade de Amsterdã, nos Países Baixos, e de Santiago, no Chile, conseguiram projetar novos materiais granulares que também podem ser facilmente comprimidos, domando sua fase sólida, um resultado que tem grande potencial de aplicações práticas, como no amortecimento de choques, por exemplo.

"Em trabalhos anteriores, os pesquisadores mostraram maneiras de fazer materiais que se tornam mais finos, não quando esticados, mas quando comprimidos, puramente com base na geometria do material. Este exemplo mostra que é possível ajustar as propriedades do seu material. Estávamos nos perguntando se poderíamos usar essa ideia também para ajustar materiais granulares," contou o pesquisador Daan Haver, referindo-se aos chamados materiais auxéticos.

O resultado são grãos que encolhem radialmente quando sofrem uma pressão externa. Isto significa que, quando um aglomerado desses grãos é comprimido, a quantidade de espaço livre entre os grãos permanece aproximadamente a mesma e, como resultado, o comportamento de fluxo dos grãos permanece semelhante ao de um líquido.

"As forças dentro do meio permanecem baixas. Portanto, o aglomerado não é apenas muito compressível, mas também pode fluir melhor. Colocamos os grãos em um funil. Normalmente, os grãos formarão um arco obstrutivo. No entanto, quando os grãos encolhem em relação ao tamanho da abertura, os grãos eventualmente fluirão. Com nossos novos grãos, abrimos um novo caminho, onde podemos criar aglomerados totalmente diferentes, fáceis de comprimir e que ainda fluem facilmente," disse Haver.

Testes de compressibilidade e fluidez do material engenheirado.
[Imagem: Daan Haver et al. - 10.1073/pnas.2317915121]

Amortecimento

Para demonstração, a equipe mostrou que um disco de metal, quando colocado em um pacote desses grãos, desacelera durante um longo período de tempo e não apresenta virtualmente nenhum rebote: A energia do movimento do disco é assim transferida de forma mais consistente e homogênea para o material.

Isso tem aplicações promissoras no campo dos amortecedores, sistemas de segurança e até equipamentos de proteção individual.

"Imagine, em vez de um disco de metal, alguém caindo em uma corrida de patinação de velocidade. O impacto no patinador ao bater na parede seria pequeno se os novos grãos fossem usados dentro da barreira de proteção. Como um bônus adicional valioso, a pessoa não será arremessada de volta à pista, tornando a situação mais segura para todos os envolvidos," disse Haver.

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