Os metamateriais — materiais cujas propriedades são ditadas principalmente por sua microestrutura interna, e não por sua composição química — vêm redefinindo o campo dos materiais de engenharia na última década. Até o momento, no entanto, a maioria dos metamateriais tem sido opções leves projetadas para rigidez e resistência.

Uma nova pesquisa do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT apresenta uma estrutura de projeto computacional para apoiar a criação de uma nova classe de metamateriais macios, flexíveis e deformáveis. Esses metamateriais, denominados metamateriais tecidos em 3D, consistem em blocos de construção compostos por fibras entrelaçadas que se autocontatam e se emaranham para conferir ao material propriedades únicas.

“Materiais flexíveis são necessários para os desafios emergentes da engenharia em áreas como robótica flexível, dispositivos biomédicos ou mesmo para dispositivos vestíveis e têxteis funcionais”, explica Carlos Portela, professor titular da Cátedra Robert N. Noyce de Desenvolvimento de Carreira e professor associado de engenharia mecânica.

Em um artigo de acesso aberto publicado em 26 de janeiro na revista Nature Communications , pesquisadores do laboratório de Portela apresentam uma estrutura de design universal que gera metamateriais tridimensionais complexos com uma ampla gama de propriedades. O trabalho também disponibiliza código aberto que permite aos usuários criar designs personalizados e gerar um arquivo para impressão ou simulação do material usando uma impressora 3D.

“O tricô ou a tecelagem tradicionais são limitados pelos equipamentos há centenas de anos — existem apenas alguns padrões que você pode usar para fazer roupas, por exemplo — mas isso muda se os equipamentos deixarem de ser uma limitação”, diz Portela. “Com essa estrutura, você pode criar padrões interessantes que mudam completamente o comportamento do tecido.”

As possíveis aplicações incluem sensores vestíveis que se movem com a pele humana, tecidos para necessidades aeroespaciais ou de defesa, dispositivos eletrônicos flexíveis e uma variedade de outros têxteis imprimíveis.

A equipe desenvolveu regras gerais de projeto — na forma de um algoritmo — que inicialmente fornecem uma representação gráfica do metamaterial. Os atributos desse grafo, por fim, ditam como cada fibra é posicionada e conectada dentro do metamaterial. Os blocos de construção fundamentais são células unitárias entrelaçadas que podem ser funcionalmente graduadas por meio do controle de vários parâmetros de projeto, como o raio e o espaçamento das fibras que compõem as hastes entrelaçadas.

“Como essa estrutura permite que esses metamateriais sejam adaptados para serem mais macios em um ponto e mais rígidos em outro, ou para mudarem de forma conforme se esticam, eles podem exibir uma gama excepcional de comportamentos que seriam difíceis de projetar usando materiais macios convencionais”, diz Molly Carton, autora principal do estudo. Carton, ex-pós-doutoranda no laboratório de Portela, é agora professora assistente de pesquisa em engenharia mecânica na Universidade de Maryland.

Além disso, a estrutura de simulação também permite aos usuários prever a resposta à deformação desses materiais, capturando fenômenos complexos como o autocontato dentro das fibras e o emaranhamento, e projetar para prever e resistir a padrões de deformação ou rasgo.

Este trabalho é o primeiro a fornecer uma ferramenta para que os usuários projetem, imprimam e simulem uma classe emergente de metamateriais extensíveis e resistentes. Ele também demonstra que, por meio do ajuste de parâmetros geométricos, os usuários podem controlar e prever como esses materiais se deformarão e falharão, e apresenta diversos novos blocos de construção de projeto que expandem substancialmente o espaço de propriedades dos metamateriais tecidos.

“Até agora, essas complexas estruturas tridimensionais eram projetadas manualmente, meticulosamente, o que limitava o número de designs que alguém havia testado”, diz Carton. “Conseguimos descrever como essas estruturas entrelaçadas funcionam e usar esse conhecimento para criar uma ferramenta de design para estruturas entrelaçadas de qualquer tipo. Com essa liberdade de design, podemos projetar a maneira como uma estrutura se transforma ao ser esticada, como as fibras se entrelaçam e se unem, bem como a forma como ela se rompe quando esticada ao limite.”

Carton acredita que a estrutura será útil em diversas disciplinas. "Ao disponibilizarmos essa estrutura como uma ferramenta de software, esperamos que outros pesquisadores explorem as possibilidades do uso de treliças entrelaçadas e encontrem novas maneiras de aproveitar essa flexibilidade de design", afirma. "Estou ansiosa para ver quais portas nosso trabalho poderá abrir."

O artigo, intitulado “ Design framework for programmable three-dimensional woven metamaterials ”, já está disponível na revista Nature Communications . Os outros autores afiliados ao MIT são James Utama Surjadi, Bastien FG Aymon e Ling Xu.

Este trabalho foi realizado, em parte, através da utilização das instalações de fabricação e caracterização do MIT.nano.