Memória física é usada para codificar novas propriedades em materiais

Com informações da Universidade da Pensilvânia - 20/01/2020

Exemplos de sistemas desordenados, incluindo um conjunto denso de discos, uma rede baseada em compressão, uma folha com furos desordenados e uma rede aleatória baseada em uma estrutura triangular.
[Imagem: Nidhi Pashine et al. - 10.1126/sciadv.aax4215]

Materiais com memória

O conceito de DNA das Coisas, que permite replicar qualquer objeto, pode ser muito mais amplo e versátil do que se pensava.

Ocorre que certos tipos de materiais têm uma "memória" de como eles foram processados, armazenados e manipulados - e essa memória ocorre naturalmente, sem precisar inserir neles moléculas de DNA contendo essas informações. E é também um fenômeno diferente dos materiais com memória de fase, já em uso em diversas aplicações.

Pesquisadores foram capazes de usar essa memória para controlar como um material envelhece e codificar propriedades específicas que lhe permitam executar novas funções.

Materiais auxéticos

Uma propriedade importante que os cientistas de materiais gostariam de controlar é como um material responde quando uma força externa é aplicada. Quando a maioria dos materiais é esticada em uma direção, eles encolhem perpendicularmente e, quando compactados, expandem perpendicularmente. Lembre-se de um elástico: Quando ele é esticado, ele torna-se mais fino e, quando comprimido, torna-se mais grosso.

Os materiais que se comportam de forma oposta a isso - encolhem perpendicularmente quando compactados e se tornam mais grossos quando esticados - são conhecidos como materiais auxéticos.

Esses materiais são raros, mas têm uma capacidade superior na absorção de energia de choques e impactos e são mais resistentes a fraturas, o que os torna promissores para um sem-número de aplicações.

Nidhi Pashine e seus colegas das universidades da Pensilvânia e de Chicago, nos EUA, tiveram a ideia de usar a "memória" de um material desordenado das tensões a que ele foi submetido anteriormente para transformar o material em algo novo. Primeiro, eles fizeram simulações por computador de materiais normais sob pressão, alterando seletivamente as ligações atômicas para ver quais mudanças poderiam fazer o material tornar-se auxético. Eles descobriram que, cortando as ligações ao longo das áreas com maior estresse externo, seria possível criar um material auxético.

Bastou guiar o envelhecimento do material para que ele apresentasse a propriedade de expansão sob compressão.
[Imagem: Nidhi Pashine et al. - 10.1126/sciadv.aax4215]

Projeto de materiais artificiais

Usando seus cálculos, a equipe pegou um material parecido com isopor e lhe acrescentou "memória" ao permitir que ele envelhecesse sob tensões específicas. Para tornar o material auxético, eles aplicaram sobre ele uma pressão constante e deixaram-no envelhecer naturalmente. "Com a coisa toda sob pressão, ele se ajustou. Ele passou de um material normal para um metamaterial mecânico," descreveu a professora Andrea Liu.

Segundo Liu, esse processo incrivelmente simples, mas eficaz, é um passo rumo a um "santo graal" da ciência dos materiais: Poder criar materiais com estruturas específicas, em nível atômico, sem a necessidade de equipamentos de alta resolução e sem manipulações na escala atômica.

A desvantagem é que essa abordagem exige muita paciência, enquanto o sistema ganha "memória" ao envelhecer naturalmente.

Mas esta demonstração também tem uma forte conexão com as estruturas da biologia. Órgãos, enzimas e redes de filamentos são exemplos naturais de sistemas desordenados difíceis de serem imitados por versões sintéticas devido à sua complexidade. Agora, os pesquisadores podem usar essa abordagem mais simples como ponto de partida para criar estruturas artificiais complexas inspiradas na ampla gama de propriedades vistas na biologia.

Liu afirma que se trata de uma maneira "totalmente diferente" de pensar sobre fazer novos materiais: "Você começa com um sistema desordenado e, se aplicar as tensões certas, pode fazê-lo sair com as propriedades que deseja," disse ela.

"Nesta fase, as possibilidades parecem ilimitadas," disse seu colega Sidney Nagel. "Somente com mais trabalho teórico e experimentação começaremos a entender quais são os limites deste novo conceito de projeto de materiais".

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