Inédito: Energia mecânica é canalizada em uma direção preferencial

Redação do Site Inovação Tecnológica - 20/04/2023

Demonstrações do comportamento do material
[Imagem: Xiang Wang et al. - 10.1126/science.adf1206]

Dirigindo a energia mecânica

Pesquisadores japoneses sintetizaram um material único que permite canalizar a energia mecânica em uma direção, mas não na outra, agindo de forma "não recíproca".

Com este material compósito - que pode ser fabricado em vários tamanhos - a equipe conseguiu usar movimentos vibracionais para cima e para baixo para fazer com que gotículas líquidas subissem por uma parede, vencendo a gravidade.

Ou seja, esse material possibilita usar vibrações aleatórias, tipicamente um estorvo em qualquer dispositivo mecânico, para mover materiais na direção desejada.

Canalizar a energia em uma direção preferencial é uma propriedade que de fato torna a vida possível, por exemplo canalizando flutuações aleatórias para viabilizar a fotossíntese e a respiração celular, ou evitar o aumento da entropia de um sistema, como no famoso demônio de Maxwell.

Também exploramos isso à exaustão na tecnologia, nos campos da fotônica, do magnetismo e da acústica, a começar pela transformação da corrente alternada em corrente contínua.

Contudo, apesar dos muitos esforços e dos usos potenciais, canalizar a energia mecânica vinha-se mostrando um desafio muito mais difícil de ser vencido.

Experimentos de demonstração do direcionamento do movimento mecânico.
[Imagem: Xiang Wang et al. - 10.1126/science.adf1206]

Guiando forças mecânicas

Xiang Wang e colegas do Instituto Riken, no Japão, sintetizaram um material uniforme, que é simples e relativamente fácil de produzir, que faz exatamente isso: Ele canaliza a energia mecânica em um sentido preferencial.

A base de tudo é um hidrogel, um material macio feito principalmente de água e uma rede de poliacrilamida, ao qual foram acrescentadas partículas de óxido de grafeno, incorporadas em um ângulo inclinado - partículas assim adicionadas são comumente chamadas de cargas de preenchimento.

O hidrogel é fixado a uma base, de modo que a parte superior pode se mover quando submetida a uma força de cisalhamento, mas não a parte inferior. Nesse movimento, as cargas de grafeno, que estão em ângulo, inclinam-se no sentido horário, de cima para baixo. Quando uma força de cisalhamento (de corte) é aplicada da direita para a esquerda sobre as nanocargas inclinadas, elas tendem a se curvar e, portanto, perdem sua resistência.

Mas, se a força vier de outra direção e as nanocargas estiverem voltadas para ela, o cisalhamento aplicado apenas as fará esticar ainda mais, e elas manterão sua resistência. Isso permite que o material se deforme em uma direção, mas não na outra - o material é aproximadamente 60 vezes mais resistente em uma direção do que na outra.

Usando vibrações aleatórias para criar um movimento circular.
[Imagem: Xiang Wang et al. - 10.1126/science.adf1206]

Demonstrações e possibilidades

Para demonstrar a capacidade do novo material, a equipe criou um bloco dele e o colocou em um suporte vibratório. Dependendo da direção de inclinação das nanocargas incorporadas, o material foi capaz de canalizar a energia vibracional do suporte para fazer gotas moverem-se para a direita ou para a esquerda.

As vibrações também foram usadas para conduzir um movimento circular que pode ser controlado no sentido horário ou anti-horário. E, ao configurar o suporte vibratório verticalmente, gotas de líquido colorido colocadas no hidrogel moveram-se para cima, contra a gravidade, como num passe de mágica - desta forma, movimentos vibratórios alternados, que geralmente não são úteis, foram canalizados para criar um movimento líquido.

Finalmente, como teste adicional, o grupo colocou vermes Caenorhabditis elegans sobre o material e, embora seus movimentos sejam normalmente aleatórios, os animais acabaram se movendo todos para um lado ou para o outro do hidrogel, dependendo da direção de inclinação das nanocargas incorporadas.

"Foi um resultado marcante e surpreendente, ver como a energia mecânica pode ser canalizada preferencialmente em uma direção, de forma tão clara, e utilizando um material bastante fácil de fazer e bastante escalonável. No futuro, pretendemos encontrar aplicações para este material, na esperança de podermos utilizá-lo para um aproveitamento eficaz da energia vibracional que, até agora, era vista como desperdício," disse o professor Yasuhiro Ishida.

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