Material artificial guia vibrações por trajetórias predefinidas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/06/2026

Os meta-átomos, os micropadrões criados na lâmina de silício, são quase invisíveis a olho nu.
[Imagem: Charles Dorn/Vignesh Kannan/ETH Zurich]

Manipulando vibrações

A olho nu, um metamaterial parece um material comum. Mas use um microscópio e você verá que esses materiais artificiais são formados por estruturas incomuns, cuidadosamente projetadas, conhecidas como meta-átomos - são esses "átomos artificiais", que são estruturas físicas, que dão as propriedades a cada metamaterial, e não sua composição química.

Os metamateriais têm sido usados à exaustão para manipular ondas de todos os tipos, criando desde mantos de invisibilidade até escudos contra ondas eletromagnéticas.

Agora, Vignesh Kannan e colegas do Instituto Federal de Tecnologia (ETH) de Zurique, na Suíça, criaram um metamaterial que guia ondas mecânicas, ou fônons, que podem ir de vibrações apresentadas por máquinas até sinais acústicos.

O resultado é um material que pode ser utilizado, por exemplo, para coletar energia de vibrações (de máquinas, do vento ou mesmo do trânsito na rua da sua casa) ou para processar sinais de forma puramente mecânica, o que é interessante para sensores e computadores mecânicos que operam sem eletricidade.

"É fascinante como, por meio de uma microestrutura especial, é possível conferir a um material propriedades específicas que ele não possui sem essa estrutura," comentou o professor Dennis Kochmann.

Detalhes das microestruturas que guiam as ondas mecânicas.
[Imagem: Charles Dorn et al. - 10.1038/s41467-026-69888-x]

Metamaterial fonônico

Se você bater em uma placa de metal, fazendo-a vibrar, essas vibrações irão se propagar em um padrão circular, semelhante às ondas na superfície da água. No entanto, se essa placa tiver uma estrutura cuidadosamente projetada, ela pode redirecionar as ondas ao longo de trajetórias específicas - e é precisamente esse efeito que os pesquisadores exploraram.

Em vez de uma placa de metal, eles usaram uma fina pastilha de silício, na qual foram esculpidas inúmeras ranhuras por meio de técnicas de fotolitografia e corrosão, formando assim um padrão específico. O padrão consiste em milhões de elementos quadrados repetidos. São quadrados minúsculos, cada um subdividido diagonalmente em quatro quadrados menores, sendo que no centro do quadrado principal há uma estrela de quatro pontas.

Diferentemente de muitos outros metamateriais, essas células unitárias não são idênticas em todo o padrão, mas mudam incrementalmente, conforme o comprimento dos braços da estrela varia. "O projeto do nosso metamaterial é modular, como um quebra-cabeça," explicou Kochmann.

Dessa forma, diferentes peças do quebra-cabeça desempenham funções específicas, como desviar raios em ângulos retos ou dividir ondas em diferentes direções com base em sua frequência. Quando as peças apropriadas foram montadas do jeito certo, o quebra-cabeças ficou pronto, criando um metamaterial capaz de conduzir as ondas vibratórias por trajetórias complexas - como uma trajetória em forma de oito, por exemplo, que essencialmente faz a vibração ficar circulando.

Duas rotas de direcionamento das vibrações usadas para testar o conceito.
[Imagem: Charles Dorn et al. - 10.1038/s41467-026-69888-x]

Guia de vibrações

As estruturas não funcionam apenas em uma única frequência de vibração: Embora os pesquisadores tenham projetado o sistema para 750 quilohertz (750.000 vibrações por segundo), ele opera efetivamente em frequências que variam de cerca de 250 a 800 quilohertz. "Não tínhamos planejado essa ampla faixa de frequência, então foi uma grata surpresa," comemorou Kannan.

Como o silício, o material base, possui características de amortecimento naturalmente baixas, as ondas podem se propagar por um longo tempo. Esta é uma grande vantagem em relação às estruturas impressas em 3D à base de polímeros, cujo amortecimento suprime rapidamente quaisquer vibrações.

Essa nova membrana de silício poderá ser utilizada em micro e nano-eletrônica, por exemplo, para controlar as vibrações em chips, ou para coletar energia do ambiente. O metamaterial fonônico também é interessante para o processamento de sinais mecânicos sem necessidade de fonte de alimentação, como em sensores para monitoramento de infraestrutura em áreas remotas. A longo prazo, ela também poderá ser empregada em novas arquiteturas de computadores, na chamada computação mecânica.

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