Descobertas científicas raramente acontecem de uma vez. Mais frequentemente, elas evoluem lentamente, enquanto pesquisadores e engenheiros constroem sobre anos de progresso constante até que o extraordinário se torne rotina.
Agora, cientistas podem estar alcançando um ponto de virada 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 intrincadas cuja geometria interna única permite que elas suprimam vibrações de maneiras nunca vistas em materiais naturais. Essas criações pertencem a uma classe conhecida como metamateriais mecânicos – substâncias projetadas cujas propriedades resultam inteiramente do seu design, em vez de sua composição.
A capacidade de bloquear ou reduzir vibrações pode ser valiosa em diversas indústrias, desde transporte até construção e além. As descobertas da equipe, publicadas na Physical Review Applied, baseiam-se em décadas de teoria e modelagem computacional para produzir estruturas do mundo real que podem interromper passivamente vibrações que viajam através delas.
“É aí que está a verdadeira novidade. Temos a realização: podemos realmente fazer essas coisas,” disse James McInerney, um associado de pesquisa no AFRL. McInerney foi anteriormente um bolsista de pós-doutorado na U-M, trabalhando com Xiaoming Mao, um professor de física, que também é autor do novo estudo.
“Estamos otimistas de que isso pode ser aplicado para bons propósitos. Neste caso, é isolamento de vibrações,” 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 contou com apoio do Programa de Associados de Pesquisa do Conselho Nacional de Pesquisa dos EUA, administrado pelas Academias Nacionais de Ciências, Engenharia e Medicina.
Os colaboradores incluíram Serife Tol, professora associada de engenharia mecânica na U-M; Othman Oudghiri-Idrissi da Universidade do Texas; e Carson Willey e Abigail Juhl do AFRL.
“Durante séculos, os humanos melhoraram materiais alterando sua química. Nosso trabalho se baseia no campo dos metamateriais, onde é a geometria – em vez da química – que dá origem a propriedades incomuns e úteis,” disse Mao. “Esses princípios geométricos podem se aplicar desde a escala nano até a macroscale, nos dando uma robustez extraordinária.”
Fundamentos estruturais
Segundo McInerney, o estudo junta engenharia estrutural clássica, física moderna e ferramentas de fabricação de ponta, como a impressão 3D.
“Há uma verdadeira probabilidade de que consigamos fabricar materiais do zero com uma precisão incrível,” disse ele. “A visão é que seremos capazes de criar materiais com arquitetura muito específica, e a pergunta que estamos fazendo é: ‘O que podemos fazer com isso? Como podemos criar novos materiais que são diferentes dos que estamos acostumados a usar?’
Como observou Mao, a equipe não está alterando a química ou a composição molecular de um material. Em vez disso, eles estão explorando como controlar a forma e a estrutura em uma escala fina pode produzir novas propriedades mecânicas vantajosas.
Na natureza, essa abordagem já existe. Ossos humanos e conchas de plâncton, por exemplo, utilizam geometrias intrincadas para obter uma força e resiliência notáveis a partir de materiais simples. Com tecnologias como a impressão 3D, os cientistas podem agora replicar e aprimorar esse princípio de design natural em metais, polímeros e outras substâncias para alcançar efeitos que anteriormente estavam fora de alcance.
“A ideia não é que vamos substituir o aço e os plásticos, mas usá-los de forma mais eficaz,” disse McInerney.
Nova escola encontra a velha escola
Embora este trabalho dependa de inovações modernas, ele tem fundamentos históricos importantes. Por um lado, há o trabalho do famoso físico do século XIX, James Clerk Maxwell. Embora seja mais conhecido por seu trabalho em eletromagnetismo e termodinâmica, ele também se ocupou de mecânica e desenvolveu considerações de design úteis para criar estruturas estáveis com subunidades repetidas chamadas de redes de Maxwell, disse McInerney.
Outro conceito-chave por trás do novo estudo surgiu na segunda metade do século XX, quando físicos descobriram que comportamentos interessantes e perplexos emergiam nas bordas e limites dos materiais. Isso levou a um novo campo de estudo, conhecido como topologia, que ainda está muito ativo e trabalhando para explicar esses comportamentos e ajudar a capitalizá-los no mundo real.
“Há cerca de uma década, houve uma publicação seminal que descobriu que redes de Maxwell podem exibir uma fase topológica,” disse McInerney.
Nos últimos anos, McInerney e colegas exploraram as implicações desse estudo em relação ao isolamento de vibrações. A equipe construiu um modelo explicando esse comportamento e como projetar um objeto real que o exibisse. A equipe agora provou que seu modelo está em seu estágio mais avançado até agora, ao realmente fazer esses objetos com nylon impresso em 3D.
Uma olhada nos estruturas revela por que fazê-las anteriormente era um desafio. Elas se assemelham a uma cerca de corrente que foi dobrada e enrolada em um tubo com uma camada interna e externa conectadas. Fisicistas chamam essas estruturas de tubos kagome, em referência à tecelagem tradicional japonesa que utilizava padrões semelhantes.
No entanto, este é apenas o primeiro passo para realizar o potencial de tais estruturas, disse McInerney. Por exemplo, o estudo também mostrou que quanto melhor uma estrutura é na supressão de vibrações, menos peso ela pode suportar. Essa é uma troca custosa, potencialmente inaceitável, em termos de aplicações, mas destaca oportunidades e perguntas interessantes que permanecem em um nível fundamental, disse ele.
À medida que tais estruturas inovadoras forem feitas, cientistas e engenheiros precisarão estabelecer novos padrões e abordagens para testá-las, caracterizá-las e avaliá-las, um desafio que entusiasma McInerney.
“Como temos comportamentos tão novos, ainda estamos desvendando não apenas os modelos, mas a maneira como os testaríamos, as conclusões que tiraríamos dos testes e como implementaríamos essas conclusões em um processo de design,” disse ele. “Acho que essas são as perguntas que realmente precisam ser respondidas antes de começarmos a responder perguntas sobre aplicações.”
