Material programável muda propriedades mecânicas sob demanda

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/11/2022

As propriedades físicas do material podem ser reprogramadas sob demanda.
[Imagem: Ke Liu et al. - 10.1002/adma.202107998]

Matéria programável

Uma mola precisa ser flexível e compressível num de seus planos, mas muito firme no outro. O mesmo acontece com um canudo de refrigerante e uma série infindável de mecanismos com as mais diversas aplicações.

Agora, pesquisadores criaram um material que pode ter suas propriedades físicas alteradas em uma variedade de direções no seu plano.

E as estruturas construídas com esse material também são programáveis, de modo que as dimensões e as propriedades correspondentes podem mudar conforme necessário.

Enquadrando-se na categoria dos metamateriais mecânicos, esses materiais programáveis podem ser úteis em inúmeras aplicações, incluindo equipamentos médicos, arquitetura, robótica e dispositivos aeroespaciais.

"Nós temos um número quase infinito de ajustes, que proporcionam um rico espaço de projeto," disse Gláucio Paulino, formado pela UnB e atualmente professor da Universidade de Princeton, nos EUA - o brasileiro já desenvolveu trabalhos importantes no campo da tensegridade, criando objetos muito compactos, mas que se expandem dramaticamente sob comando, além de materiais com transição de propriedades e antenas morfológicas, que mudam de tamanho para determinar que frequência captam.

Estrutura das células que formam o material e determinam suas propriedades em larga escala.
[Imagem: Ke Liu et al. - 10.1002/adma.202107998]

Origami e frustração geométrica

Para criar as estruturas, os pesquisadores começaram com células de quatro figuras em forma de pipa; cada um desses losangos está conectado a dois outros ao longo de dois lados, com uma extremidade traseira de cada losango livre.

Os lados de conexão têm dobradiças de diversos tipos, o que dá a cada célula três estados estáveis, podendo ser travadas em qualquer um deles. Assim, cada célula pode alternar em uma variedade de formas, de uma cesta larga a tiras finas.

Inspirada na técnica do origami, a estrutura pode combinar as células para criar uma ampla variedade de superfícies. Basta ajustar as células para alterar as propriedades de toda a superfície, o que permite variar, entre outras, a compressibilidade, a flexibilidade e a densidade.

"Geralmente, um único padrão de origami tem uma propriedade mecânica específica," compara Tomohiro Tachi, da Universidade de Tóquio e membro da equipe. "Esta estrutura pode alternar entre múltiplos estados com propriedades distintas. É um módulo universal para programação e reprogramação de materiais com propriedades versáteis."

Usar os defeitos a seu favor

A técnica tira proveito de um fenômeno que os físicos chamam de frustração - na geometria, a frustração impede que um padrão se propague por um amplo espaço. Com as células ajustáveis, torna-se possível introduzir frustração nas estruturas, o que resulta na alteração das propriedades da superfície, seja em toda ela ou em pontos determinados.

"Uma frustração é uma espécie de defeito de engenharia, um defeito de projeto," disse Paulino. "Se um defeito é arbitrário, geralmente ele é ruim. Mas se pudermos projetá-lo, podemos usá-lo de uma maneira interessante."

Tendo demonstrado o funcionamento da técnica em linhas e planos de células, a equipe agora pretende aplicá-la a estruturas 3D.

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