A natureza inspira engenheiros no design de metamateriais mais resistentes

Há muito tempo que a ordem é a regra no projeto de “metamateriais” sintéticos, cujas estruturas internas conferem propriedades excepcionais – não encontradas na natureza – ao material como um todo.

Quando os cientistas desenvolvem um metamaterial, eles partem de um único bloco de construção, ou “célula unitária”, que depois é copiado e colado inúmeras vezes. O resultado é uma microestrutura precisa e periódica, que proporciona um desempenho aprimorado ao material.

Atualmente, uma equipe do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e da Universidade Northeastern descobriu que introduzir um pouco de desordem em um material pode aprimorar ainda mais suas características “meta”.

Em um estudo de acesso aberto publicado esta semana na revista Nature, os pesquisadores apresentam uma maneira nova de projetar os metamateriais que é inspirada nos tipos de redes que aparecem na vascularização das folhas, nas nervuras das asas das libélulas e nas conexões virtuais de uma rede social. Esses metamateriais novos, denominados “metamateriais ricos em escalas”, apresentam estruturas de tamanhos variados, que se expandem e se conectam para formar uma rede física.

Durante décadas, as redes têm sido utilizadas como construções teóricas para descrever tudo, desde cidades até mesmo a internet e as conexões entre os neurônios. Agora, a equipe aplicou esses projetos de redes em materiais físicos. Os pesquisadores desenvolveram metamateriais que não são constituídos por células unitárias repetidas, mas por vigas pequenas de sustentação de tamanhos variados, semelhantes aos padrões densos e entrelaçados de uma rede.

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

A equipe projetou seus materiais utilizando um algoritmo que gera uma rede otimizada de microestruturas para uma propriedade desejada do material. O procedimento pode ser usado para projetar materiais que são resistentes e capazes de absorver impactos, como os capacetes e as blindagens, além de lentes acústicas — materiais cuja microestrutura focaliza com eficiência o som ou as vibrações.

“Esta é uma maneira completamente nova de pensar em metamateriais”, afirma o autor do estudo, Carlos Portela, professor associado de engenharia mecânica do MIT. “Desbloquear esse projeto de redes para os materiais realmente nos permite pensar livremente em microestruturas novas e em benefícios mecânicos que antes não eram possíveis”.

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

Indo além da ordem no projeto de metamateriais

A ciência das redes é um campo de pesquisa que estuda as 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 das redes tem sido utilizada para mapear e caracterizar uma variedade ampla de sistemas, desde as redes encontradas na natureza, como as teias alimentares, as árvores evolutivas e as conexões neurais, até os mercados financeiros, as redes celulares e sociais e a internet.

Barabási está na linha de frente da ciência das redes. Como professor de física da Universidade Northeastern, Barabási explora a estrutura de redes complexas em diversas disciplinas, estudando onde uma rede pode apresentar as vulnerabilidades e como ela poderia se tornar mais robusta.

A maior parte do trabalho de Barabási envolveu redes conceituais, ou seja, redes mapeadas em sistemas existentes. Recentemente, ele se perguntou: seria possível aplicar a ciência das redes para construir um material físico com determinadas 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 desenvolvem materiais desde o início, com microestruturas projetadas e precisão para aprimorar o desempenho geral do material. Assim como outros profissionais da área, Portela construiu os metamateriais a partir de uma única célula unitária, repetindo esse bloco de construção em padrões como as estruturas de rede quadrada e arquiteturas em formato de 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 cede e falha. Segundo ele, isso acontece porque toda a estrutura interna é igual; se uma região do material for deformada, as células unitárias semelhantes ao redor reagirão e se deformarão da mesma maneira.

“Passamos anos analisando as microestruturas periódicas e ordenadas e aprendemos que existem muitas limitações e respostas não ideais, como esse efeito de localização”, afirma Portela. “Queríamos nos libertar dessa ideia e utilizar a ciência das redes para projetar esses materiais”.

Linha por linha

A equipe desenvolveu um algoritmo para gerar virtualmente uma rede de vigas sujeita às restrições de um material físico. Ao aplicar a ciência das redes a algo como a internet, os pesquisadores não precisam considerar as restrições físicas, como limitar o número, a densidade ou as interseções das conexões. Em um material físico, o número e a espessura das vigas, assim como o espaço entre elas, começam a ser importantes.

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 traçada através desse ponto em outro ângulo aleatório, até que essa segunda linha alcance um limite, seja do domínio inteiro ou da primeira linha desenhada. O processo então se repete, sucessivamente, desenhando linhas progressivamente mais curtas e mais finas. O material resultante representa uma rede densa de vigas que se cruzam, com muitos tamanhos diferentes.

Os cientistas podem variar o tipo de rede gerado pelo programa alterando a espessura da linha inicial e a velocidade com que essa espessura diminui a cada linha nova que é desenhada. Simplesmente ajustando esses dois parâmetros, a equipe descobriu que poderia gerar uma variedade enorme de redes. Em seguida, realizou simulações para prever como o ajuste de um ou de outro parâmetro, ou de ambos, em graus diferentes, alteraria a rigidez e outras propriedades físicas de um material.

“Observamos que podemos realmente ajustar a rigidez de um material apenas alterando esses dois parâmetros, que determinam como esses padrões de rede são gerados”, afirma Portela.

A equipe então fabricou os materiais físicos com microestruturas baseadas nas redes que havia gerado virtualmente. Os pesquisadores utilizaram métodos de impressão 3D para depositar o polímero em padrões de pequenas vigas interconectadas. Cada amostra resultante era um quadrado grande, aproximadamente do tamanho de um cartão de crédito, com vigas internas cujas dimensões variavam de micrômetros a centímetros.

As amostras foram submetidas a diversos testes físicos, como a queda de um peso grande sobre elas e sua compressão com força crescente. Os pesquisadores registraram a resposta dos materiais e também testaram as amostras de metamateriais convencionais com as estruturas de rede e em formato de favo de mel. Eles descobriram que as amostras inspiradas em redes eram mais resistentes à compressão e aos impactos.

“Como existe uma riqueza tão grande de escalas de comprimento nesses materiais em rede, se uma parte falhar, há uma malha forte de estruturas ao seu redor que impede que todo o material falhe catastroficamente”, afirma Portela. “Ele é mais eficiente na distribuição dos danos e na absorção de energia”.

Em outra demonstração, os pesquisadores projetaram um material inspirado na microestrutura com densidade gradativa da casca espessa de um pomelo. Eles desenvolveram o material com bordas constituídas por uma rede mais densa de vigas e demonstraram que ele poderia amortecer os impactos e proteger um objeto frágil incorporado no centro da rede.

“Este trabalho oferece uma estrutura de projeto para os materiais cujas características variam em uma faixa muito ampla”, afirma o especialista em materiais Tian “Tim” Chen, professor associado do Departamento de Aeronáutica da Imperial College London, que não participou do estudo. “Isso pode resultar em uma geração nova de materiais com comportamentos físicos sem precedentes, para qualquer estrutura que precise suportar cargas, absorver energia ou controlar vibrações”.

Este trabalho contou, em parte, com o apoio do programa Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future (DMREF), da Fundação Nacional de Ciências dos Estados Unidos (NSF).

O artigo original em inglês foi traduzido e republicado aqui com a permissão do MIT News.