Um pacote bem comprimido de grampos de escritório pode se comportar de maneira surpreendente. Embora seja composta de muitas peças separadas, a massa emaranhada pode ser difícil de separar e pode agir quase como um único objeto sólido.
No entanto, o mesmo pacote pode ser desfeito rapidamente. Com vibração ou movimento adequado, os grampos podem se separar e retornar a uma coleção solta de peças individuais.
Paul M. da CU Boulder. Pesquisadores do Departamento de Engenharia Mecânica de Rady acreditam que esta combinação incomum de resistência e resiliência poderia ajudar a inspirar uma nova geração de materiais de engenharia. Ao projetar partículas que se interligam da mesma forma que os grampos, eles esperam criar materiais que sejam fortes, adaptáveis e potencialmente recicláveis.
“Há muitos anos brincamos com a ideia de blocos de construção e geometrias, mas só recentemente começamos a olhar para partículas entrelaçadas e entrelaçadas”, disse o professor François Berthelat, líder do Laboratório de Materiais Avançados e Bioinspiração. “Estamos entusiasmados com a combinação de recursos que podem surgir desses sistemas e acreditamos que esta tecnologia tem potencial para ir em muitas direções.”
Os resultados do estudo foram publicados recentemente Revista de Física Aplicada.
Como partículas emaranhadas criam energia
A pesquisa se concentra em um fenômeno conhecido como emaranhamento, que ocorre quando as partículas se entrelaçam e se conectam entre si.
O emaranhamento é comum em toda a natureza. Por exemplo, os ninhos de pássaros dependem de uma rede de galhos e fibras entrelaçadas para manter sua estrutura. O osso ganha força através da interação de elementos minerais duros e proteínas moles.
A equipe da CU Boulder queria entender como princípios semelhantes poderiam ser usados para criar materiais de engenharia. Seu trabalho apontou para um fator importante: o formato das partículas.
“Tomemos a areia como exemplo. A areia é lisa e tem formato convexo, o que significa que não consegue unir grão a grão”, diz o estudante de doutorado Yuhan Sohn. “No entanto, descobrimos que se mudarmos a forma de um grão de areia, podemos afetar drasticamente o seu comportamento e propriedades mecânicas, incluindo a capacidade da partícula de se conectar com outras partículas.”
Para investigar mais, os pesquisadores usaram simulações de Monte Carlo, uma técnica computacional que permite estudar como diferentes tamanhos de partículas interagem. Seu objetivo era identificar uma geometria que maximizasse o emaranhamento.
Por que as partículas em forma de grampo se destacam?
Depois de identificar projetos promissores através de simulações, a equipe realizou testes de captação para observar como as partículas se comportavam em condições do mundo real.
Os resultados revelaram que uma partícula “bípede”, semelhante a uma cabeça, produziu o mais alto grau de emaranhamento. Os pesquisadores também descobriram que esse formato oferece diversas vantagens inesperadas.
Uma das mais notáveis foi a capacidade de combinar resistência à tração e rigidez, duas propriedades que muitas vezes são difíceis de obter em conjunto em materiais convencionais.
“Nosso material granular ligado usando partículas semelhantes a grampos exibe alta resistência e rigidez ao mesmo tempo”, disse o estudante de doutorado Saeed Pejeshki.
As partículas do tipo principal também exibiram outra propriedade incomum. Eles podem rapidamente se fundir em uma estrutura forte e depois se separar rapidamente novamente.
Ao aplicar diferentes padrões de vibração, os pesquisadores conseguiram controlar a força com que as partículas aderiram. Vibrações suaves estimulam as partículas a se interligarem e fortalecerem o material, enquanto vibrações fortes desfazem a rede.
“É um material estranho porque claramente não é um líquido. No entanto, também não é totalmente sólido. Abre novas e intrigantes possibilidades de engenharia”, disse Barthelat. “Gerenciar um conjunto dessas partículas emaranhadas parece muito rebuscado e exótico.”
Usos potenciais em construção e robótica
Os pesquisadores acreditam que a tecnologia poderá eventualmente apoiar métodos de construção mais sustentáveis.
No futuro, pontes, edifícios e outras grandes estruturas poderão ser construídas utilizando materiais colados que podem ser separados em vez de serem desmontados posteriormente. Tais materiais podem potencialmente ser reutilizados ou completamente reciclados no final da sua vida útil.
O conceito também pode ter aplicações em robótica.
“Tenho conversado com outros estudantes que acreditam que esta tecnologia poderia ser usada na robótica de enxame – onde pequenos robôs podem ficar, realizar uma tarefa e desligar quando terminarem”, disse Pejeshki.
“Sim, como o metal líquido T-1000 em Terminator 2, que pode mudar de forma para deslizar por baixo de uma porta e depois se transformar em forma humana do outro lado”, acrescentou Berthelat. “É caro e um desafio ampliar, mas é algo que está na mente de todos.”
Até mesmo testando designs robustos de partículas
A equipe agora está avançando para a próxima fase da pesquisa.
Seus experimentos mais recentes se concentram em um novo design de partículas que inclui “pernas” extra alongadas. Os pesquisadores comparam o formato a rebarbas pontiagudas que se agarram teimosamente a sapatos e roupas para atividades ao ar livre. Eles acreditam que essas propriedades adicionais poderiam criar efeitos de emaranhamento mais fortes e desbloquear novas possibilidades para materiais futuros.
