Os avanços científicos raramente acontecem ao mesmo tempo. Mais frequentemente, desenvolvem-se lentamente, com investigadores e engenheiros a desenvolverem anos de progresso constante até que o extraordinário eventualmente se torne a norma.
Agora, os cientistas podem estar a atingir um ponto de viragem nesta jornada progressiva. Pesquisadores da Universidade de Michigan e do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL) demonstraram um método para imprimir estruturas tubulares complexas em 3D, cujas geometrias internas exclusivas permitem amortecer as vibrações de maneiras nunca vistas em materiais naturais. Estas criações pertencem a uma classe de substâncias projetadas conhecidas como metamateriais mecânicos, cujas propriedades vêm inteiramente do seu design e não da sua composição.
A capacidade de interromper ou reduzir a vibração é valiosa em muitos setores, desde transporte até construção e muito mais. As descobertas da equipe foram publicadas em Revisões de Física Aplicadaconstruído com base em décadas de teoria e modelagem computacional, produz estruturas do mundo real que podem interromper passivamente as vibrações que passam por elas.
“Essa é a verdadeira novidade. Percebemos: podemos realmente fazer essas coisas”, disse o pesquisador da AFRL, James McInerney. McInerney foi anteriormente pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Michigan, trabalhando com o professor de física Xiaoming Mao, autor do novo estudo.
“Estamos otimistas de que eles podem ser usados para bons propósitos. Neste caso, é o isolamento de vibração”, disse McInerney.
O projeto foi financiado em parte pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) e pelo Escritório de Pesquisa Naval, e também recebeu apoio do Programa de Associados de Pesquisa do Conselho Nacional de Pesquisa, administrado pelas Academias Nacionais de Ciências, Engenharia e Medicina.
Os colaboradores incluem Serife Tol, professor associado de engenharia mecânica na Universidade de Michigan; Othman Oudghiri-Idrissi, da Universidade do Texas; e Carson Willy e Abigail Juhl da Afrl.
“Durante séculos, os humanos melhoraram os materiais alterando a sua composição química. O nosso trabalho baseia-se no campo dos metamateriais, onde é a geometria – e não a química – que gera propriedades incomuns e úteis”, disse Mao. “Esses princípios geométricos podem ser aplicados desde a escala nano até a escala macroscópica, dando-nos uma robustez extraordinária.”
base estrutural
McInerney disse que a pesquisa reúne engenharia estrutural clássica, física moderna e ferramentas de fabricação de ponta, como a impressão 3D.
“Há uma boa chance de conseguirmos fabricar materiais do zero com uma precisão incrível”, disse ele. “Nossa visão é que seremos capazes de criar materiais de construção muito especiais, e a pergunta que fazemos é: ‘O que podemos fazer com isso? Como podemos criar novos materiais diferentes daqueles a que estamos acostumados?'”
Como aponta Mao, a equipe não alterou a composição química ou molecular do material. Em vez disso, eles estão explorando como controlar a forma e a estrutura em escalas finas para produzir propriedades mecânicas novas e vantajosas.
Na natureza, esta abordagem já existe. Por exemplo, os ossos humanos e as conchas de plâncton exploram geometrias complexas para obter resistência e elasticidade extraordinárias a partir de materiais simples. Com tecnologias como a impressão 3D, os cientistas podem agora replicar e melhorar princípios de design natural em metais, polímeros e outras substâncias para alcançar efeitos anteriormente inatingíveis.
“A ideia não é substituir o aço e o plástico, mas sim utilizá-los de forma mais eficiente”, disse McInerney.
A nova escola encontra a velha escola
Embora este trabalho se baseie na inovação moderna, tem importantes fundamentos históricos. Um deles é o trabalho do famoso físico do século XIX, James Clerk Maxwell. McInerney disse que embora seja mais conhecido por seu trabalho em eletromagnetismo e termodinâmica, ele também se interessou por mecânica e sugeriu considerações de projeto úteis para a criação de estruturas estáveis com subunidades repetidas chamadas redes de Maxwell.
Outro conceito-chave por detrás da nova investigação surgiu na segunda metade do século XX, quando os físicos descobriram um comportamento interessante e intrigante perto das bordas e limites dos materiais. Isto deu origem a um novo campo de pesquisa denominado topologia, que ainda é muito ativo e se dedica a explicar esses comportamentos e ajudar a explorá-los no mundo real.
“Há cerca de uma década, houve uma publicação seminal que descobriu que as redes de Maxwell podem exibir fases topológicas”, disse McInerney.
Nos últimos anos, McInerney e colegas exploraram as implicações desta pesquisa para o isolamento de vibrações. A equipe construiu um modelo para explicar esse comportamento e como projetar um objeto real que pudesse exibir esse comportamento. A equipe demonstrou agora que seu modelo é o mais avançado até agora, ao fabricar tal objeto usando náilon impresso em 3D.
Uma rápida olhada nessas estruturas revela por que criá-las já foi um desafio tão grande antes. Eles se assemelham a uma cerca de arame dobrada e enrolada em um tubo com uma camada interna e externa conectadas. Os físicos chamam esses tubos de kagome, referindo-se à tradicional cestaria japonesa que usa padrões semelhantes.
No entanto, McInerney disse que este é apenas o primeiro passo para concretizar o potencial de tais estruturas. Por exemplo, a pesquisa também mostra que quanto melhor uma estrutura amortece as vibrações, menos peso ela pode suportar. Este é um compromisso dispendioso e talvez até inaceitável em termos de aplicação, mas destaca as oportunidades e problemas interessantes que ainda existem a um nível fundamental, disse ele.
À medida que essas novas estruturas são fabricadas, os cientistas e engenheiros terão de estabelecer novos padrões e métodos para testá-las, caracterizá-las e avaliá-las, um desafio que entusiasma McInerney.
“Como temos novos comportamentos como este, revelamos não apenas modelos, mas como os testamos, que conclusões tiramos dos nossos testes e como aplicamos essas conclusões no processo de design”, disse ele. “Acho que essas são perguntas que precisam ser respondidas honestamente antes de começarmos a responder perguntas sobre o aplicativo”.
