Cientistas imprimem materiais em 3D que impedem as vibrações do frio

Agora, os cientistas podem estar a atingir um ponto de viragem nessa viagem 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. Estas criações pertencem a uma classe conhecida como metamateriais mecânicos – substâncias projetadas com propriedades que vêm inteiramente do seu design e não da sua composição.

A capacidade de bloquear ou reduzir vibrações pode ser valiosa em muitos setores, desde transporte até construção e muito mais. As descobertas da equipe, publicadas em Revisão Física Aplicadabaseiam-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 conclusão: podemos realmente fazer essas coisas”, disse James McInerney, pesquisador associado do AFRL. McInerney foi anteriormente pós-doutorado na UM, trabalhando com Xiaoming Mao, professor de física, que também é autor do novo estudo.

“Estamos otimistas que isso pode ser aplicado para bons propósitos. 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 incluíram serife tol, professor associado de engenharia mecânica da um; Othman Oudghiri-Idrissi, da Universidade do Texas; E Carson Willy e Abigail Juhl da Afrl.

“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.”

Fundações estruturais

Segundo McInerney, o estudo reúne engenharia estrutural clássica, física moderna e ferramentas de fabricação de ponta, como a impressão 3D.

“Há uma probabilidade real de que seremos capazes de fabricar materiais desde o início com uma precisão absurda”, disse ele. “A visão é que seremos capazes de criar materiais arquitetônicos muito específicos e a pergunta que fazemos é: ‘O que podemos fazer com isso? Como podemos criar novos materiais diferentes daqueles 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 o controle da forma e da estrutura em escala precisa pode produzir propriedades mecânicas novas e vantajosas.

Na natureza, esta abordagem já existe. Ossos humanos e conchas de plâncton, por exemplo, utilizam geometrias complexas para obter força e resiliência notáveis ​​a partir de materiais simples. Com tecnologias como a impressão 3D, os cientistas podem agora replicar e melhorar esse princípio de design natural em metais, polímeros e outras substâncias 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 eficaz”, disse McInerney.

A nova escola encontra a velha escola

Embora este trabalho se baseie em inovações modernas, tem importantes fundamentos históricos. Por um lado, há 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.

Outro conceito-chave por detrás do novo estudo surgiu na segunda metade do século XX, quando os físicos descobriram que comportamentos interessantes e desconcertantes emergiam perto das bordas e limites dos materiais. Isto 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 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 construiu um modelo explicando esse comportamento e como projetar um objeto real que o exibisse. A equipe provou agora que seu modelo está em seu estágio mais avançado ao fabricar esses objetos com náilon impresso em 3D.

Uma rápida olhada nas estruturas revela por que criá-las anteriormente era um grande desafio. Eles se assemelham a uma cerca de arame que foi 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 usava padrões semelhantes.

Este é, no entanto, apenas o primeiro passo para concretizar o potencial de tais estruturas, disse McInerney. Por exemplo, o estudo também mostrou que quanto melhor uma estrutura for na supressão de vibrações, menos peso ela 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 estas novas estruturas são criadas, os cientistas e engenheiros precisarão de construir novos padrões e abordagens para testá-las, caracterizá-las e avaliá-las, o que é um desafio que entusiasma McInerney.

“Como temos esses novos comportamentos, 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”.