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Metamateriais de origami mostram auxeticidade reversível combinada com recuperação de deformação
Embora algumas estruturas de origami em 3D tenham sido produzidas através da fabricação aditiva, alcançar as propriedades de dobragem exibidas no origami de papel ideal permaneceu um desafio.
Por Brian Sandalow, - 27/07/2020


Vários protótipos metamateriais em diferentes escalas, que foram miniaturizados na escala de mícrons usando a gravação direta a laser de dois fótons. Crédito: Allison L. Carter, Georgia Tech

A simplicidade e a elegância do origami, uma antiga forma de arte japonesa, motivaram os pesquisadores a explorar sua aplicação no mundo dos materiais.

Novas pesquisas de uma equipe interdisciplinar, incluindo Horacio Espinosa da Northwestern Engineering e Sridhar Krishnaswamy e Glaucio Paulino do Instituto de Tecnologia da Geórgia, visam promover a criação e o entendimento dessas estruturas dobradas para aplicações que variam de robótica eletrônica a dispositivos médicos e coletores de energia.

Inspirados no origami, os metamateriais mecânicos - estruturas artificiais com propriedades mecânicas definidas por sua estrutura e não por sua composição - ganharam considerável atenção devido ao seu potencial de produzir estruturas e materiais implantáveis ​​e altamente ajustáveis.

O que não se sabia era quais estruturas integram a capacidade de recuperação da forma, propriedades mecânicas direcionais pronunciadas e auxicidade reversível - o que significa que suas dimensões laterais podem aumentar e diminuir quando pressionadas progressivamente. Embora algumas estruturas de origami em 3D tenham sido produzidas através da fabricação aditiva, alcançar as propriedades de dobragem exibidas no origami de papel ideal permaneceu um desafio.

Usando efeitos em nanoescala para um design de origami, a equipe de pesquisadores da Escola de Engenharia McCormick e da Georgia Tech procurou responder a essa pergunta. Eles produziram pequenos metamateriais construídos em origami em 3D, mantendo com sucesso as melhores propriedades sem recorrer a artefatos para permitir a dobra.

"As estruturas criadas constituem os menores metamateriais arquitetados de origami fabricados, exibindo uma combinação sem precedentes de propriedades mecânicas ", disse Espinosa, o professor de Manufatura e Empreendedorismo James and Nancy J. Farley e professor de engenharia mecânica e (por cortesia) engenharia biomédica e engenharia civil e engenharia ambiental .

"Nosso trabalho demonstrou que o design racional de metamateriais, com um alto grau de recuperação da forma e rigidez e deformação dependentes da direção, é possível usando designs de origami, e que a dobrabilidade do origami permite um estado em que o material inicialmente se expande e subsequentemente se contrai lateralmente (auxeticidade reversível ) ", acrescentou Espinosa, que atua como diretor do programa de pós-graduação em Teoria e Mecânica Aplicada da Northwestern. "Tais propriedades prometem influenciar uma série de aplicações em uma ampla gama de campos, abrangendo as nano, micro e macro escalas, alavancando a escalabilidade intrínseca dos conjuntos de origami".
 
"Guiados pela geometria, o dimensionamento e a miniaturização do metamaterial do origami são empolgantes em si e pela multifuncionalidade sem precedentes que ele possibilita naturalmente", afirmou Paulino, presidente da Raymond Allen Jones na Escola de Engenharia Civil e Ambiental da Georgia Tech.

"Apenas um esforço interdisciplinar que combina design de origami, impressão a laser 3D com resolução em nanoescala e testes mecânicos de microscopia eletrônica in situ pode revelar a combinação sem precedentes de propriedades que nosso trabalho demonstrou e seu potencial impacto em aplicações futuras", acrescentou Paulino, que contribuiu para estabelecendo o programa Fronteiras Emergentes da Fundação Nacional de Ciência em Pesquisa e Inovação chamado ODISSEI (Design de Origami para Integração de Sistemas de Montagem Automática para Inovação em Engenharia).

"Assim como a natureza arquitetou uma ampla gama de estruturas usando apenas alguns sistemas de materiais, o origami nos permite projetar componentes estruturais resilientes com propriedades físicas distintas em diferentes direções", disse Krishnaswamy, professor de engenharia mecânica.

"Podemos imaginar microrobôs macios baseados em origami que são rígidos ao longo de algumas direções para transportar cargas úteis, mantendo outros graus de flexibilidade de movimento. Os metamateriais de origami que exploram a auxiliaridade reversível e grande deformação podem levar a aplicações multifuncionais que variam de instrumentos microcirúrgicos implantáveis ​​e dispositivos médicos , à direção e colheita de energia ", acrescentou Krishnaswamy, diretor do Centro de Estruturas e Materiais Inteligentes da Northwestern.

O estudo apresenta novos caminhos a serem explorados a longo prazo, disse Espinosa.

"Há várias possibilidades", disse ele. "Uma é a fabricação de estruturas de origami com materiais cerâmicos e metálicos, preservando as dimensões em nanoescala, para explorar efeitos de tamanho na resposta mecânica das estruturas, levando a uma dissipação de energia superior por unidade de volume e massa. Outra é o uso de polímeros piezoelétricos, que pode resultar em coletores de energia que podem acionar modalidades sensoras ou ferramentas microcirúrgicas de potência ".

A pesquisa, "Dobrando na microescala: habilitando os metamateriais multifuncionais em arquitetura de origami em 3D" foi publicada na Small nesta segunda-feira, 27 de julho.

 

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