Materiais Avançados

Materiais reconfiguráveis se viram para cumprir sua função

Materiais reconfiguráveis sabem se virar para cumprir sua função
Este vira aquele, sem precisar de ferramentas - e cada um tem uma função completamente distinta. [Imagem: Johannes Overvelde/Harvard SEAS]

Metamateriais versáteis

Pesquisadores da Universidade de Harvard, nos EUA, desenvolveram um sistema genérico para projetar metamateriais reconfiguráveis.

A estratégia de projeto é independente da escala, o que significa que o sistema pode ser aplicado a tudo, desde arquiteturas em grande escala - para proteger contra terremotos e tsunamis, por exemplo - até a nanoescala, para projetar cristais fotônicos, guias de ondas e metamateriais para guiar o calor.

Os metamateriais, cuja função é determinada pela estrutura, e não pela composição química, têm sido projetados para manipular a luz, o som e qualquer outro tipo de onda, sejam as ondas do mar ou as ondas sísmicas.

O problema é que cada uma dessas funcionalidades requer uma estrutura mecânica única, tornando esses materiais ideais para tarefas específicas, mas difíceis de projetar caso a caso.

Multifuncionalidade

Johannes Overvelde e Katia Bertoldi lideraram uma equipe que resolveu justamente esse problema, criando uma estratégia que permite projetar metamateriais reconfiguráveis, que têm múltiplas funções embutidas em sua estrutura, alternando facilmente e autonomamente entre elas.

"Através de uma colaboração com projetistas e matemáticos, encontramos uma maneira de generalizar essas regras e gerar rapidamente muitos projetos interessantes," disse Bertoldi. "Percebemos que essas geometrias simples poderiam ser usadas como blocos de construção para formar uma nova classe de metamateriais reconfiguráveis, mas demorou muito tempo para identificar uma estratégia de projeto robusto para conseguir isso".

"Combinando o projeto e a modelagem computacional, conseguimos identificar uma vasta gama de rearranjos diferentes e criar um plano - um DNA - para construir esses materiais," completou Overvelde.

Materiais reconfiguráveis sabem se virar para cumprir sua função
Cada conformação do metamaterial lida com as ondas de uma forma diferente. [Imagem: Johannes Overvelde/Harvard SEAS]

Materiais inteligentes

Os modelos computacionais podem ser usados para quantificar todas as diferentes maneiras pelas quais o material pode se dobrar e como isso afeta suas propriedades efetivas - de como ele manipula as ondas até sua rigidez. Desta forma, é possível rapidamente digitalizar algo como um milhão de desenhos diferentes e selecionar aqueles com a resposta mais adequada à aplicação.

Conforme cada projeto específico era selecionado, a equipe construiu protótipos de cada metamaterial em 3D, usando papelão cortado a laser, fita dupla face e impressão 3D multimaterial. A seguir, de forma semelhante a um origami, a estrutura pode ser dobrada para mudar de forma.

"Agora que resolvemos o problema da formalização do projeto, podemos começar a pensar em novas formas de fabricar e reconfigurar esses metamateriais em escalas menores, por exemplo, através do desenvolvimento de protótipos auto-atuantes e responsivos ao meio ambiente," disse James Weaver, outro membro da equipe.

Bibliografia:

Rational design of reconfigurable prismatic architected materials
Johannes T. B. Overvelde, James C. Weaver, Chuck Hoberman, Katia Bertoldi
Nature
Vol.: 541, 347-352
DOI: 10.1038/nature20824




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