Amortecedores contra vibrações ficam melhores com um século de física

Redação do Site Inovação Tecnológica - 17/10/2025

Este tubo kagome impresso em 3D isola vibrações passivamente usando sua estrutura complexa, mas deliberada.
[Imagem: James McInerney]

Metamateriais mecânicos

Os metamateriais, materiais artificiais cujas propriedades dependem de sua estrutura física, e não de sua composição química, já revolucionaram os campos da óptica, da fotônica e estão avançando rumo à computação.

Agora está chegando a vez dos metamateriais mecânicos, usados desde a geração de energia até formas inusitadas de matéria reprogramável - sim, esses materiais programáveis mudam suas propriedades mecânicas sob demanda.

James McInerney e colegas da Universidade de Michigan, nos EUA, demonstraram agora como usar a técnica dos metamateriais mecânicos para bloquear vibrações - vale lembrar que os metamateriais em geral são ótimos para lidar com ondas, da luz e demais ondas eletromagnéticas até ondas sísmicas, ondas de tsunamis e, claro, ondas vibratórias.

"Durante séculos, os humanos aprimoraram os materiais alterando sua química. Nosso trabalho se baseia na área de metamateriais, onde é a geometria - e não a química - que dá origem a propriedades incomuns e úteis. Esses princípios geométricos podem ser aplicados da nanoescala à macroescala, conferindo-lhes uma robustez extraordinária," disse o professor Xiaoming Mao, cuja equipe já havia demonstrado essas possibilidades construindo uma rede neural mecânica que roda em um processador mecânico.

As estruturas de isolamento de vibrações são construídas a partir de uma rede repetitiva (a), que é então empilhada em duas camadas (b) e enrolada na forma de um tubo (c).
[Imagem: James P. McInerney et al. - 10.1103/xn86-676c]

Maxwell, topologia e tudo junto

A inovação consiste em usar a impressão 3D para criar tubos com estruturas intricadas, cuidadosamente calculadas para amortecer vibrações mecânicas.

O segredo está justamente nesses cálculos cuidadosos, que devem revelar quais são as estruturas geométricas mais adequadas para uma dada função. Neste caso, a equipe foi buscar a solução nos trabalhos de James Clerk Maxwell. O físico do século XIX é famoso por seu trabalho em eletromagnetismo e termodinâmica, mas ele também se interessou por mecânica e desenvolveu projetos para criar estruturas estáveis a partir de subunidades repetidas, hoje conhecidas como redes de Maxwell.

Outro conceito-chave por trás desta inovação surgiu na segunda metade do século XX, quando físicos descobriram que comportamentos interessantes surgem perto das bordas e dos limites dos materiais. Isso inaugurou um novo campo de estudo, conhecido como topologia, uma área que já rendeu muitos frutos e promete muito mais, incluindo computadores futurísticos, superiores aos computadores quânticos atuais.

Mas a mistura exigiu novidades, que incluem os metamateriais, a impressão 3D e, mais recentemente, a demonstração de que as redes de Maxwell apresentam fases topológicas. A característica mais notável das fases topológicas da matéria é sua robustez ou imunidade a influências externas locais - por exemplo, em um material topológico, a eletricidade na superfície flui sem impedimentos, imune a perturbações como impurezas, defeitos cristalinos, deformações ou variações de temperatura.

"É aí que está a verdadeira novidade. Temos a percepção: Podemos realmente fabricar essas coisas," disse McInerney. "Estamos otimistas de que elas podem ser aplicadas para bons propósitos. Neste caso, para o isolamento de vibrações."

A evolução das molas, que agora armazenam quantidades enormes de energia, seguiu o mesmo caminho, mostrando o quanto a pesquisa é promissora.
[Imagem: Xin Fang et al. - 10.1038/s41586-025-08658-z]

Desafios a amortecer

Para transformar todos esses conceitos em amortecedores de vibrações práticos - ou um "manto da invisibilidade" contra vibrações - a equipe precisou projetar um metamaterial que fosse construído a partir de unidades de Maxwell, apresentasse propriedades topológicas e pudesse ser fabricado usando uma impressora 3D.

Por enquanto feitos de nylon, os protótipos lembram uma cerca de arame dobrada e enrolada na forma de tubo, com uma camada interna e outra externa conectadas - os físicos chamam suas estruturas de tubos kagome, uma referência à técnica tradicional japonesa de construir cestos de bambu, que utiliza padrões semelhantes.

Agora começa o trabalho para aprimorar tudo, rumo a aplicações práticas específicas. Por exemplo, os testes mostraram que, quanto melhor a estrutura se torna na função de suprimir vibrações, menos peso ela consegue suportar.

"Como temos comportamentos tão novos, ainda estamos descobrindo não apenas os modelos, mas também a maneira como os testamos, as conclusões que tiramos dos testes e como implementar essas conclusões em um processo de projeto," disse McInerney. "Acredito que essas são as perguntas que, honestamente, precisam ser respondidas antes de começarmos a responder às perguntas sobre as aplicações."

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