É surpreendente o que um pacote bem embalado de material de escritório pode fazer. Embora seja composta de muitas partes separadas, a massa emaranhada pode ser difícil de separar, quase como um único objeto sólido.
No entanto, o mesmo pacote é rapidamente destruído. Com a vibração ou movimento correto, os grampos podem se separar e retornar a uma coleção solta de peças únicas.
Pesquisadores do Departamento de Engenharia Mecânica Paul M. Rady da Universidade do Colorado Boulder acreditam que esta combinação incomum de resistência e reversibilidade pode ajudar a inspirar uma nova geração de materiais de engenharia. Ao projetar partículas que se interligam de maneira semelhante aos grampos, eles esperam criar materiais fortes, adaptáveis e potencialmente recicláveis.
“Há muitos anos que trabalhamos com a ideia de blocos de construção e geometrias, mas só recentemente começámos a trabalhar com partículas entrelaçadas e entrelaçadas”, disse o professor François Batra, chefe do Laboratório de Materiais Avançados e Bioinspiração. “Estamos entusiasmados com a combinação de propriedades que podem ser obtidas a partir desses sistemas e acreditamos que esta tecnologia tem potencial para ir em muitas direções.”
As descobertas foram publicadas recentemente em Revista de Física Aplicada.
Como as partículas emaranhadas criam intensidade
O estudo se concentrou em um fenômeno chamado emaranhamento, que ocorre quando as partículas ficam emaranhadas umas com as outras e formam conexões entre si.
O emaranhamento é comum na natureza. Os ninhos de pássaros, por exemplo, dependem de uma teia de galhos e fibras entrelaçadas para manter sua estrutura. Os ossos também ganham força através da interação de componentes minerais duros e proteínas mais macias.
A equipe da Universidade do Colorado em Boulder espera entender como princípios semelhantes podem ser usados para criar materiais artificiais. O trabalho deles apontou para um fator chave: a forma das próprias partículas.
“Tomemos a areia como exemplo. A areia é lisa e convexa, o que significa que não pode interligar-se de partícula em partícula”, diz o estudante de doutorado Youhan Sohn. “No entanto, descobrimos que se mudarmos a forma de um grão de areia, podemos afetar dramaticamente o seu comportamento e propriedades mecânicas, incluindo a capacidade da partícula de se conectar a outras partículas.”
Para investigar mais, os pesquisadores usaram simulações de Monte Carlo, uma técnica computacional que lhes permitiu estudar como diferentes formatos de partículas interagem entre si. Seu objetivo era identificar uma geometria que maximizasse o emaranhamento.
Por que as partículas em forma de espigão se destacam
Depois de identificar projetos promissores através de simulações, a equipe realizou testes para observar como as partículas se comportavam em condições do mundo real.
Os resultados mostraram que partículas “de duas pernas” semelhantes a grampos produziram o mais alto grau de emaranhamento. Os pesquisadores também descobriram que o formato oferece alguns benefícios inesperados.
Uma das mais notáveis é a sua capacidade de combinar resistência à tração e tenacidade, duas propriedades que muitas vezes são difíceis de alcançar simultaneamente em materiais tradicionais.
“Usamos materiais particulados emaranhados que se assemelham a partículas de fibras curtas e exibem alta resistência e tenacidade ao mesmo tempo”, disse o estudante de doutorado Saeed Pezeshki.
As partículas semelhantes a grampos também exibem outra característica incomum. Eles podem rapidamente se unir em uma estrutura mais forte e depois se separar novamente com a mesma rapidez.
Ao aplicar diferentes modos de vibração, os pesquisadores conseguiram controlar a intensidade do emaranhamento das partículas. Vibrações leves fazem com que as partículas se conectem entre si e fortaleçam o material, enquanto vibrações mais fortes causam o colapso da rede.
“É um material estranho porque obviamente não é líquido. No entanto, também não é completamente sólido. Isto abre novas e interessantes possibilidades de engenharia”, disse Batra. “Parece muito remoto e exótico lidar com um monte dessas partículas emaranhadas”.
Usos potenciais em construção e robótica
Os pesquisadores acreditam que a tecnologia poderá eventualmente apoiar métodos de construção mais sustentáveis.
No futuro, pontes, edifícios e outras estruturas de grande dimensão poderão ser construídos com materiais emaranhados que poderão ser desmontados em vez de desmontados. Esses materiais têm potencial para serem reutilizados ou totalmente reciclados no final de sua vida útil.
Este conceito também pode ter aplicações no campo da robótica.
“Estou conversando com outros estudantes que acreditam que esta tecnologia poderia ser usada para robôs de enxame – pequenos robôs que podem se enroscar, completar uma tarefa e depois se desfazer quando concluírem sua tarefa”, disse Pezeshki.
“Sim, é como o metal líquido T-1000 em Terminator 2, onde pode mudar de forma e deslizar por baixo da porta e depois voltar ao tamanho humano do outro lado”, acrescentou Barthelat. “É caro e aumentar a escala é um desafio, mas é algo com que todos se preocupam.”
Teste designs de partículas mais fortes
A equipe está agora entrando na próxima fase da pesquisa.
Seus experimentos mais recentes se concentram em um novo design de partículas que inclui “pernas” salientes adicionais. Os pesquisadores compararam seu formato com as rebarbas pontiagudas que teimosamente se agarram aos sapatos e roupas de uso externo. Eles acreditam que esses recursos adicionais poderiam criar efeitos de emaranhamento mais fortes e desbloquear novas possibilidades para materiais futuros.
