Metamaterial apresenta propriedades bizarras de alongamento

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/12/2024

Projeto do metamaterial, que deverá ter usos no monitoramento de forças e quebras.
[Imagem: Yi Chen et al. - 10.1038/s41467-024-52956-5]

Meta-átomos que se falam à distância

Metamateriais são materiais artificiais que não ocorrem na natureza. Seus componentes básicos funcionam como os átomos dos materiais convencionais, mas têm propriedades ópticas, elétricas e magnéticas especiais - por isso eles são chamados de meta-átomos.

Outra diferença em relação aos materiais naturais é que as propriedades e funcionalidades do metamaterial dependem não exatamente dos meta-átomos que os constituem, mas da interação entre eles. Contudo, apesar dos inúmeros progressos nessa área, os componentes constituintes dos metamateriais tipicamente até agora só conseguiam interagir com seus vizinhos mais próximos.

Agora, Yi Chen e colegas do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), na Alemanha, desenvolveram um metamaterial mecânico no qual as interações entre meta-átomos também podem ser acionadas em grandes distâncias dentro do material, o que abre novas possibilidades de desenvolvimento, com usos que vão da medição de forças ao monitoramento estrutural.

Para explicar a melhoria, Chen compara o desenvolvimento com a famosa brincadeira do "telefone sem fio": Quando as pessoas se comunicam por meio de uma cadeia de intermediários, a mensagem recebida pela última pessoa pode ser completamente diferente do que se a primeira e a última pessoas tivessem falado uma com a outra diretamente. Como os meta-átomos funcionam como antenas para receber e lidar com ondas, que podem ser eletromagnéticas ou não, esse princípio também se aplica aos metamateriais.

"O material que projetamos tem estruturas especiais. Com essas estruturas, os componentes individuais não mais se 'comunicam' com componentes mais distantes apenas por meio de seus vizinhos, agora eles também podem se comunicar diretamente com todos os outros componentes no material," disse Chen.

Micrografia do protótipo, feito por impressão 3D.
[Imagem: Jonathan Schneider/KIT]

Esticamento bizarro

A estrutura das nanoantenas capazes de conversar à distância trouxe um ganho inesperado: O metamaterial construído nessa arquitetura fica surpreendentemente extensível, esticando-se quase como uma borracha.

"Essas estruturas dão ao material propriedades fascinantes, como características incomuns de alongamento," disse Ke Wang, membro da equipe, acrescentando que é um esticamento muito peculiar e irregular.

Diferente de um objeto como um elástico, que se estica uniformemente quando puxado, o metamaterial apresenta compressão em alguns lugares e esticamento em outros, além de seções curtas se esticarem mais do que seções mais longas, mesmo com a aplicação da mesma força. "Este comportamento incomum com alongamento e compressão ocorrendo localmente é impossível em materiais convencionais," disse o professor Jonathan Schneider.

Particularmente, o metamaterial fica extremamente sensível a cargas e tensões, o que pode ser uma propriedade muito útil. Dependendo do ponto em que a força é aplicada, reações de alongamento completamente diferentes podem resultar mesmo em pontos relativamente distantes, diferente dos materiais naturais, onde as reações são observadas apenas diretamente no ponto onde a força é aplicada, esmaecendo-se conforme a distância desse ponto aumenta.

Um material com essa sensibilidade quase bizarra pode ser valioso para aplicações de engenharia nas quais é necessário medir forças em larga escala, como no monitoramento de deformações de edifícios ou em pesquisas biológicas, para caracterizar forças em células, sugere a equipe.

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