Os avanços científicos raramente ocorrem simultaneamente. Freqüentemente, eles evoluem lentamente, à medida que pesquisadores e engenheiros desenvolvem um progresso constante durante anos, até que o extraordinário eventualmente se torne rotina.
Agora, os cientistas atingiram um ponto de viragem nessa jornada gradual. Pesquisadores da Universidade de Michigan e do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL) demonstraram uma maneira de imprimir em 3D estruturas tubulares complexas cujas geometrias internas exclusivas permitem suprimir vibrações de uma forma não vista em materiais naturais. Estas criações pertencem a uma classe conhecida como metamateriais mecânicos – materiais de engenharia com propriedades que decorrem inteiramente do seu design e não da sua estrutura.
A capacidade de bloquear ou reduzir a vibração pode ser valiosa em muitos setores, desde transporte até construção e muito mais. Resultados do grupo, publicados A revisão física é aplicadaBaseie-se em décadas de teoria e modelagem computacional para criar estruturas do mundo real que possam interromper passivamente as vibrações que passam por elas.
“É aí que está a verdadeira inovação. Temos a conclusão: podemos realmente fazer essas coisas”, disse James McInerney, pesquisador associado da AFRL. McInerney foi anteriormente pós-doutorado na UM, Xiaoming Mao, professor de física, que também é autor do novo estudo.
“Temos esperança de que isso possa ser bem utilizado. Neste caso, é o isolamento de vibração”, disse McInerney.
O projeto recebeu financiamento parcial da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) e do Escritório de Pesquisa Naval, e também envolveu apoio do Programa de Associação de Pesquisa do Conselho Nacional de Pesquisa dos EUA, administrado pelas Academias Nacionais de Ciências, Engenharia e Medicina.
Os colaboradores incluem Serif Toll, professor associado de engenharia mecânica na UM; Othman Odghiri-Idrisi, da Universidade do Texas; e Carson Wiley e Abigail Juhl de Afrel.
“Durante séculos, os humanos melhoraram os materiais alterando a sua química. O nosso trabalho baseia-se no campo dos metamateriais, onde é a geometria – e não a química – que dá origem a propriedades incomuns e úteis”, disse Mao. “Esses princípios geométricos podem ser aplicados desde a nanoescala até a macroescala, dando-nos uma robustez extraordinária.”
base estrutural
Segundo McInerney, a pesquisa combina engenharia estrutural clássica, física moderna e ferramentas de fabricação de ponta, como a impressão 3D.
“Existe uma possibilidade real de sermos capazes de fabricar materiais a partir do zero com uma precisão absurda”, disse ele. “A visão é que seremos capazes de fabricar materiais arquitetônicos muito específicos, e a pergunta que fazemos é: ‘O que podemos fazer com isso? Como podemos fabricar novos materiais diferentes daqueles a que estamos acostumados?'”
Como aponta Mao, a equipe não está alterando a química ou a composição molecular do material. Em vez disso, eles estão explorando como o controle da forma e da estrutura em escala precisa pode criar propriedades mecânicas novas e vantajosas.
Na natureza, esse método já existe. Ossos humanos e conchas de plâncton, por exemplo, utilizam geometrias complexas para obter resistência e elasticidade extraordinárias a partir de materiais comuns. Com tecnologias como a impressão 3D, os cientistas podem agora replicar e melhorar esses princípios naturais de design em metais, polímeros e outros materiais para obter efeitos que antes estavam fora de alcance.
“A ideia não é substituir o aço e o plástico, mas sim utilizá-los de forma mais eficiente”, disse McInerney.
A nova escola encontra a velha escola
Embora este trabalho se baseie em invenções modernas, tem importantes fundamentos históricos. Por um lado, existe o trabalho do famoso físico do século XIX, James Clerk Maxwell. Embora ele seja mais conhecido por seu trabalho em eletromagnetismo e termodinâmica, ele também se interessou por mecânica e desenvolveu considerações úteis de projeto para criar estruturas estáveis com subunidades repetidas chamadas redes de Maxwell, disse McInerney.
Outra ideia chave por detrás do novo estudo surgiu na segunda metade do século XX, quando os físicos descobriram que comportamentos interessantes e confusos surgiam perto das bordas e limites dos materiais. Isto levou a um novo campo de estudo, conhecido como topologia, que ainda é muito ativo e trabalha para explicar esses comportamentos e ajudar a capitalizá-los no mundo real.
“Há cerca de uma década, houve uma publicação seminal que descobriu que as redes de Maxwell podem exibir uma fase topológica”, disse McInerney.
Nos últimos anos, McInerney e colegas exploraram as implicações desse estudo no que se refere ao isolamento de vibrações. A equipe desenvolveu um modelo que explica esse comportamento e como projetar um objeto real que o exibisse. A equipe provou agora que seu modelo ainda é o mais avançado ao criar tal objeto com náilon impresso em 3D.
Uma rápida olhada nas estruturas revela por que foi um desafio construí-las anteriormente. Eles se assemelham a uma cerca de arame dobrada e enrolada em um tubo com uma camada interna e externa conectada. Os físicos chamam esses tubos de kagome, uma referência à tradicional cestaria japonesa que usa padrões semelhantes.
Este, no entanto, é o primeiro passo para concretizar o potencial de tais estruturas, disse McInerney. Por exemplo, a investigação também demonstrou que quanto melhor for uma estrutura na supressão de vibrações, menos peso poderá suportar. Esta é uma compensação dispendiosa, potencialmente até inaceitável, em termos de aplicações, mas destaca oportunidades interessantes e questões que permanecem num nível fundamental, disse ele.
À medida que novas estruturas são criadas, os cientistas e engenheiros devem desenvolver novos padrões e métodos para testá-las, caracterizá-las e avaliá-las, um desafio que entusiasma McInerney.
“Como temos esses novos comportamentos, ainda estamos descobrindo não apenas os modelos, mas a forma como os testamos, as conclusões que tiramos dos testes e como implementamos essas conclusões em um processo de design”, disse ele. “Acho que essas são questões que precisam ser respondidas honestamente antes de começarmos a responder perguntas sobre aplicações.”
