Tecnologia Científica

Pesquisadores criam uma nova classe de metamateriais mecânicos super sensíveis
Metamateriais são estruturas de materiais criadas artificialmente que derivam suas propriedades de seu design microestrutural interno, em vez da composição química do material de que são construídas.
Por Delft University of Technology - 18/06/2020


Crédito: Universidade de Tecnologia de Delft

Pesquisadores do Departamento de Engenharia Biomecânica da Universidade de Tecnologia de Delft criaram uma nova classe de metamateriais que podem mudar dinamicamente seu comportamento mecânico. Pode formar a base para aplicações práticas, como roupas de proteção contra quedas para idosos. Os resultados foram publicados na revista Science Advances em 17 de junho.

Metamateriais são estruturas de materiais criadas artificialmente que derivam suas propriedades de seu design microestrutural interno, em vez da composição química do material de que são construídas. Os metamateriais podem ser projetados para mostrar propriedades excepcionais não encontradas em materiais naturais simples. Por exemplo, embora se espere intuitivamente que estruturas que são comprimidas em uma direção se expandam na direção oposta, uma classe de metamateriais chamados materiais auxéticos é projetada propositadamente para fazer o oposto.

Funcionalidades metamateriais mecânicas

Até agora, as funcionalidades metamateriais mecânicas não exploraram efeitos dependentes do tempo. Isso é surpreendente, diz o Dr. Shahram Janbaz, pesquisador do grupo de Biomateriais e Biomecânica dos Tecidos da TU Delft e primeiro autor do artigo, porque muitos materiais flexíveis usados ​​para construir metamateriais mecânicos, como plásticos à base de polímeros, mostram comportamento mecânico isso depende da velocidade com que eles são deformados. "Os materiais viscoelásticos, quando tensos, sofrem mudanças lentas que dissipam energia. Portanto, a resposta mecânica deles depende da rapidez com que você os deforma".

A equipe, liderada pelo professor Amir Zadpoor, agora traz a dimensão do tempo para a caixa de ferramentas de metamateriais mecânicos, criando o que poderia ser considerado uma nova classe de metamateriais que podem mudar dinamicamente seu comportamento mecânico.

A equipe construiu pilares altos que consistem em dois materiais diferentes: um lado é feito de um material que responde à velocidade da deformação, enquanto o material do outro lado não se importa com a rapidez com que é deformado. Ao aplicar uma força de compressão ao longo da direção do eixo longo desse "feixe duplo", a elasticidade de ambos os materiais garante que ele não se quebre, mas se dobre.

Crédito: Universidade de Tecnologia de Delft

Propriedades estranhas

Os pesquisadores mostraram que o feixe bi previsivelmente se dobra para o lado esquerdo ou direito, dependendo da velocidade da compressão. Esse comportamento dependente da taxa de deformação de duas vigas é a chave para criar novos materiais com propriedades estranhas nunca antes vistas. "Tudo o que você precisa fazer é encontrar uma maneira inteligente de montar vigas duplas e as chances são muito boas de você encontrar um comportamento mecânico que nunca havia sido relatado antes", diz Zadpoor.
 
Janbaz explica: "Por exemplo, conectamos dois feixes paralelos espelhados um ao outro por meio de conectores rígidos como uma célula unitária básica que pode ser repetida em todas as direções para criar uma estrutura treliçada metamaterial tridimensional. Descobrimos que, aumentando a taxa de deformação, o comportamento mecânico de uma célula assim mudou completamente de auxético para convencional ". Os vídeos que acompanham a publicação mostram como uma treliça composta por células unitárias interconectadas diminui para baixas velocidades de compressão e se expande para altas velocidades.

Formulários

Uma das possíveis aplicações de metamateriais que mostram esse comportamento de comutação é a de proteção contra quedas. Diz Zadpoor: "Imagine uma camada vestível. Em circunstâncias normais, é macia e acompanha os movimentos do corpo. Quando ocorre um impacto, o material muda seu comportamento, atuando como um amortecedor". Isso pode ajudar pessoas que sofrem de osteoporose, onde as fraturas ósseas constituem uma grande complicação.

Os pesquisadores também criaram treliças de dois feixes que são programadas para se tornarem menos rígidas se forem tensionadas mais rapidamente. Esse comportamento pode ser chamado de viscoelasticidade negativa e nunca foi observado antes em sólidos.

Embora possa ser difícil criar bi-feixes muito menores com o mesmo design dos sistemas de modelo de tamanho centimétrico testados aqui, os pesquisadores vêem possibilidades de usar técnicas de impressão em 3D para criar treliças de minúsculos feixes.

Os pesquisadores estão entusiasmados com o potencial do design de dois feixes. "Esperamos que esse elemento básico possa ser usado para criar uma rica variedade de comportamentos mecânicos", diz Janbaz.

 

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