A ordem tem sido, há muito tempo, a regra no projeto de "metamateriais" sintéticos, que possuem estruturas internas que conferem ao material como um todo propriedades excepcionais não encontradas na natureza.

Quando os cientistas projetam um metamaterial, eles partem de um único bloco de construção, ou "célula unitária", que é então copiado e colado inúmeras vezes. O resultado é uma microestrutura periódica precisa que proporciona um desempenho aprimorado do material. 

Agora, uma equipe do MIT e da Northeastern University descobriu que introduzir um pouco de desordem em um material pode aprimorar ainda mais suas características "meta". 

Em um estudo de acesso aberto publicado hoje na revista Nature , os pesquisadores apresentam uma nova maneira de projetar metamateriais, inspirada nos tipos de redes que aparecem no sistema vascular de uma folha, nas nervuras das asas de uma libélula e nas conexões virtuais de uma rede social. Esses novos metamateriais — denominados “metamateriais ricos em escala” — exibem estruturas de tamanhos variados, que se espalham e se conectam para formar uma rede física.

Durante décadas, as redes têm sido usadas como construções teóricas para descrever tudo, desde cidades e a internet até as conexões entre neurônios. A equipe agora aplicou esses projetos de rede a materiais físicos. Eles projetaram metamateriais feitos não de células unitárias repetidas, mas de minúsculas vigas de suporte de tamanhos variados, semelhantes aos padrões densos e intrincados de uma rede. 

Quando submetidos a testes físicos, os novos materiais atingiram uma ampla gama de rigidez controlável e resistiram a impactos repentinos melhor do que os metamateriais ordenados convencionais. Eles também foram capazes de amortecer e proteger objetos frágeis incorporados aos materiais.

A equipe projetou seus materiais usando um algoritmo que gera uma rede ideal de microestruturas para uma propriedade desejada do material. O procedimento pode ser usado para projetar materiais resistentes e que absorvem impactos, como capacetes e armaduras, bem como lentes acústicas — materiais cuja microestrutura concentra o som ou as vibrações de forma eficiente.

“Esta é uma forma completamente nova de pensar sobre metamateriais”, afirma o autor do estudo, Carlos Portela, professor associado de engenharia mecânica do MIT. “Desvendar esse design de rede para materiais realmente nos liberta para pensar em novas microestruturas e benefícios mecânicos que não eram possíveis antes.” 

Os coautores do estudo do MIT incluem Andrew Yen-Jong Chen, Mohammad Charara e Jayna Wadhwa, juntamente com Csaba Both, Ting-Ting Gao e Albert-László Barabási da Northeastern University, e Niek Mooij da Universidade de Utrecht, na Holanda.

A ciência de redes é um campo de pesquisa que estuda redes complexas, os nós e as conexões dentro de uma rede, e como esses elementos se relacionam entre si e com a rede como um todo. A ciência de redes tem sido usada para mapear e caracterizar uma ampla gama de sistemas, desde redes na natureza, como teias alimentares, árvores evolutivas e conexões neurais, até mercados financeiros, redes celulares e sociais e a internet. 

Albert-László Barabási, coautor do novo estudo, está na vanguarda da ciência de redes. Professor de física na Northeastern University, Barabási explora a estrutura de redes complexas em diversas disciplinas, estudando onde uma rede pode apresentar vulnerabilidades e como ela pode ser tornada mais robusta.

A maior parte do trabalho de Barabási envolveu redes conceituais, ou seja, redes que são mapeadas em sistemas existentes. Recentemente, ele se perguntou: será que a ciência de redes poderia ser aplicada para construir um material físico com certas propriedades desejadas que não são possíveis na natureza? 

Para isso, Barabási uniu esforços com Portela, cujo grupo no MIT é especializado em metamateriais. Os pesquisadores projetam materiais desde a base, com microestruturas precisamente padronizadas que aprimoram o desempenho geral do material. Assim como outros na área, Portela construiu metamateriais a partir de uma única célula unitária, repetindo esse bloco de construção em padrões como estruturas de treliça quadrada e arquiteturas em favo de mel.

Em muitos casos, Portela descobriu que esses padrões ordenados realmente melhoram a resistência e a resiliência de um material. Mas se esses materiais forem perfurados ou rachados, o restante rapidamente se deforma e falha. Ele afirma que isso ocorre porque a estrutura interna é toda igual; se uma região do material se deforma, as células unitárias semelhantes ao redor responderão e se deformarão da mesma forma.

“Passamos anos estudando microestruturas periódicas e ordenadas, e aprendemos que existem muitas limitações e respostas não ideais, como esse efeito de localização”, diz Portela. “Queríamos nos libertar dessa noção e usar a ciência de redes para projetar esses materiais.”

A equipe desenvolveu um algoritmo para gerar virtualmente uma rede de vigas com as restrições de um material físico. Ao aplicar a ciência de redes a algo como a internet, os pesquisadores não precisavam considerar restrições físicas, como limitar o número, a densidade ou a interseção de conexões. Em um material físico, o número e a espessura das vigas, bem como o espaço entre elas, passam a importar. 

Para projetar uma rede física, o algoritmo da equipe começa desenhando um ponto em uma coordenada aleatória dentro de um domínio que representa o tamanho do material final. O programa desenha uma linha em um ângulo aleatório, que passa pelo ponto e atravessa todo o espaço. Em seguida, o programa repete o processo com um segundo ponto, em uma segunda coordenada aleatória, e uma linha desenhada através do ponto em outro ângulo aleatório, até que essa segunda linha alcance um limite, seja do domínio inteiro ou da primeira linha desenhada. O processo se repete continuamente, desenhando linhas progressivamente mais curtas e finas. O material resultante representa uma densa rede de feixes que se cruzam, de diversos tamanhos. 

Os cientistas podem variar o tipo de rede gerada pelo programa, alterando a espessura da linha inicial e a velocidade com que essa espessura diminui a cada linha subsequente desenhada. Ajustando apenas esses dois parâmetros, a equipe descobriu que podia gerar uma enorme variedade de redes. Em seguida, realizaram simulações para prever como o ajuste de um ou de ambos, em diferentes graus, alteraria a rigidez e outras propriedades físicas de um material. 

A equipe então fabricou materiais físicos com microestruturas que foram padronizadas a partir das redes que eles geraram virtualmente. Eles usaram métodos de impressão 3D para depositar polímero em padrões de minúsculas vigas interconectadas. Cada amostra resultante era um grande quadrado, aproximadamente do tamanho de um cartão de crédito, com vigas internas que variavam de micrômetros a centímetros de escala. 

Eles submeteram as amostras a diversos testes físicos, como deixar cair um grande peso sobre elas e comprimi-las com força crescente. Registraram a resposta dos materiais, juntamente com amostras de metamateriais convencionais em forma de treliça e favo de mel. Descobriram que as amostras inspiradas em redes eram mais resistentes à compressão e aos impactos. 

“Devido à grande variedade de escalas de comprimento nesses materiais interconectados, se uma parte falhar, existe uma forte rede de estruturas ao redor que impede que todo o material falhe catastroficamente”, diz Portela. “É mais eficiente na distribuição de danos e na absorção de energia.”

Como outra demonstração, os pesquisadores projetaram um material inspirado na microestrutura com gradiente de densidade da casca grossa de uma toranja. Eles projetaram o material com bordas feitas de uma rede mais densa de vigas e mostraram que ele poderia amortecer e proteger um objeto frágil que estivesse embutido no centro da rede.

“Este trabalho fornece uma estrutura de projeto para materiais cujas características variam em uma ampla gama”, diz o especialista em materiais Tian “Tim” Chen, professor associado do Departamento de Aeronáutica do Imperial College London, que não participou do estudo. “Isso pode levar a uma próxima geração de materiais com comportamento físico sem precedentes, para qualquer estrutura que precise suportar carga, absorver energia ou controlar vibrações.”