Avanços científicos raramente acontecem de uma só vez. Mais frequentemente, eles evoluem lentamente, à medida que pesquisadores e engenheiros se baseiam em anos de progresso constante até que o extraordinário se torne rotina.
Agora, os 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 suprimir vibrações de maneiras nunca vistas em materiais naturais. Essas criações pertencem a uma classe conhecida como metamateriais mecânicos — substâncias projetadas com propriedades que surgem inteiramente de seu design, em vez de sua composição.
A capacidade de bloquear ou reduzir vibrações pode ser valiosa em muitas 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 as vibrações que passam por elas.
“É aí que está a verdadeira novidade. Temos a realização: podemos realmente fazer essas coisas,” disse James McInerney, um associado de pesquisa do 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 esses possam ser aplicados para bons propósitos. Nesse 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 o apoio do Programa de Bolsas de Pesquisa do Conselho Nacional de Pesquisa dos EUA, administrado pelas Academias Nacionais de Ciências, Engenharia e Medicina.
Contribuíram também 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 baseia-se 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 do nanoscale ao macroscale, nos dando uma robustez extraordinária.”
Fundamentos estruturais
Segundo McInerney, o estudo reúne engenharia estrutural clássica, física moderna e ferramentas de fabricação de ponta, como impressão 3D.
“Há uma probabilidade real de que possamos fabricar materiais do zero com uma precisão surpreendente,” disse ele. “A visão é que vamos conseguir criar materiais muito especificamente arquitetados e a pergunta que estamos fazendo é: ‘O que podemos fazer com isso? Como podemos criar novos materiais que sejam diferentes do que estamos acostumados a usar?’
Como Mao observou, a equipe não está alterando a química ou a composição molecular de um material. Em vez disso, eles estão explorando como o controle da forma e da estrutura em uma escala precisa pode produzir novas propriedades mecânicas vantajosas.
Na natureza, essa abordagem já existe. Ossos humanos e conchas de plâncton, por exemplo, usam geometrias intrincadas para obter uma força e resiliência notáveis a partir de materiais simples. Com tecnologias como impressão 3D, os cientistas agora podem replicar e aprimorar esse princípio de design natural em metais, polímeros e outras substâncias para alcançar efeitos que antes estavam fora de alcance.
“A ideia não é que vamos substituir o aço e plásticos, mas usá-los de maneira mais eficaz,” disse McInerney.
Nova escola encontra a velha escola
Embora este trabalho dependa de inovações modernas, ele possui importantes fundamentos históricos. Por um lado, há o trabalho do famoso físico do século 19, James Clerk Maxwell. Embora ele seja mais conhecido por seu trabalho em eletromagnetismo e termodinâmica, ele também se aventurou na mecânica e desenvolveu considerações de design úteis para a criação de 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 20, à medida que físicos descobriram que comportamentos interessantes e perplexos surgiam 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.
“Cerca de uma década atrás, 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 diz respeito 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 sua fase mais avançada até agora, fabricando realmente tais objetos com nylon impresso em 3D.
Um olhar superficial nas estruturas revela por que produzi-las anteriormente foi um desafio tão grande. Elas se assemelham a uma cerca de corrente que foi dobrada e enrolada em um tubo com uma camada interna e externa conectadas. Os físicos chamam esses tubos de kagome, uma referência à tradicional cestaria japonesa que usava 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 em suprimir vibrações, menos peso ela pode suportar. Essa é uma troca custosa, potencialmente até inaceitável, em termos de aplicações, mas destaca oportunidades e questões interessantes que permanecem em um nível fundamental, disse ele.
À medida que estruturas tão novas são fabricadas, cientistas e engenheiros precisarão estabelecer novos padrões e abordagens para testá-las, caracterizá-las e avaliá-las, o que é um desafio que entusiasma McInerney.
“Porque temos comportamentos tão novos, ainda estamos descobrindo 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, honestamente, precisam ser respondidas antes de começarmos a responder perguntas sobre aplicações.”
