Uma equipe de engenharia da Universidade do Colorado em Boulder demonstrou recentemente um novo tipo de material com um toque de ficção científica: um sistema de partículas emaranhadas composto de pequenas partículas com formas especiais que podem alternar livremente entre “todo duro” e “fluido solto”. Os pesquisadores se inspiraram em alguns itens comuns de escritório. Quando um grande número de grampos está emaranhado em uma bola, eles resistirão às forças externas como um todo ao serem puxados. No entanto, quando vibrados ou agitados de uma maneira específica, eles se soltarão rapidamente e se transformarão em uma pilha de tiras de metal separadas.
Este fenômeno levou os pesquisadores a repensar as abordagens de design de materiais: em vez de usar sólidos monolíticos tradicionais ou ligações químicas, começando com formas geométricas, usando um grande número de pequenas partículas que podem ser "conectadas" umas às outras para construir uma estrutura geral por meio de emaranhamento físico, ao mesmo tempo em que são capazes de se desintegrar rapidamente quando necessário. "Temos brincado com configurações e geometrias há muitos anos, mas só recentemente começamos a estudar seriamente partículas entrelaçadas e entrelaçadas", disse o professor François Barthelat, líder do projeto e diretor do Laboratório de Materiais Avançados e Bioinspiração. “Este sistema pode exibir um conjunto único de combinações de desempenho e acreditamos que tem muito espaço para a imaginação da engenharia”.
O estudo, publicado no Journal of Applied Physics, chama esse fenômeno de “emaranhamento” – o processo pelo qual as partículas ficam emaranhadas umas com as outras e formam conexões estruturais. Princípios semelhantes são familiares na natureza: os ninhos dos pássaros dependem do entrelaçamento de ramos e fibras para obter resistência, e os ossos dependem do acoplamento entre minerais rígidos e proteínas moles para alcançar um equilíbrio de propriedades mecânicas. O desafio da engenharia reside em reproduzir este efeito de “entrelaçamento” em materiais artificiais de uma forma controlável.
A equipe de Barthelat acredita que a chave está na geometria das partículas. "Tomemos a areia como exemplo. A superfície dos grãos de areia é lisa e a forma geral é convexa. É quase impossível conseguir um verdadeiro entrelaçamento entre as partículas, "explicou o estudante de doutorado Youhan Sohn. "Mas se mudarmos a forma de um 'grão de areia', o seu comportamento macroscópico e as suas propriedades mecânicas mudarão drasticamente, incluindo a capacidade de se enredar e interligar com outras partículas."
Depois de perceberem que a forma é um fator chave, os pesquisadores usaram simulações de Monte Carlo, um método computacional, para prever as interações entre partículas de diferentes formas e encontrar desenhos geométricos que produzissem o maior grau de emaranhamento. Eles então validaram os resultados da simulação por meio de uma série de “testes de captação” para ver como as partículas recém-projetadas se comportavam durante a montagem, elevação e vibração reais.
O experimento finalmente deu uma resposta inesperada, mas extremamente simples: partículas “bípedes” semelhantes a grampos mostraram a mais forte tendência a se interligarem. Depois de empilhar um grande número de partículas nesta forma, o sistema pode ser firmemente emaranhado para formar um todo, e também pode ser solto e disperso sob certas condições.
Este projeto traz diversas vantagens importantes de desempenho, uma das quais é a rara combinação de alta resistência e alta tenacidade. Em materiais tradicionais, a alta resistência é frequentemente acompanhada por um aumento na fragilidade, enquanto a alta tenacidade geralmente significa uma diminuição na resistência; no entanto, este material de partículas emaranhadas composto por "partículas básicas" tem um bom desempenho tanto em resistência à tração quanto em tenacidade. Ph.D. o aluno Saeed Pezeshki observou: "Nosso material de partículas emaranhadas utiliza essas partículas básicas para manter alta resistência e, ao mesmo tempo, exibir excelente tenacidade."
Outra grande vantagem é a rápida montagem e desmontagem reversível do sistema. A equipe de pesquisa ajustou o grau de intertravamento entre as partículas, alterando o modo de vibração aplicado à pilha de partículas: vibrações suaves e de baixa intensidade ajudam as partículas a "perfurar" lentamente nas lacunas entre si, formando emaranhados mais apertados e melhorando a resistência geral; enquanto vibrações mais fortes perturbarão o estado de contato original, fazendo com que a estrutura se desintegre e as partículas retornem a um estado granular de fluxo livre.
"Este é um material muito estranho. Obviamente não é um líquido, mas não pode ser simplesmente classificado como sólido", disse Barthelat. "Isso abre uma nova porta para projetos de engenharia. Quando você realmente manipula essa bola de partículas emaranhadas com as mãos, haverá uma sensação estranha e surreal."
Entre as possíveis direções de aplicação, a arquitetura sustentável é um cenário importante. A equipa de investigação prevê que futuros edifícios e pontes possam utilizar parcialmente este material de partículas emaranhadas como estrutura ou unidade de enchimento: durante o período de serviço, têm boa capacidade de carga; e quando a tarefa de construção estiver concluída ou a vida estrutural terminar, podem ser desmontados como um todo para realizar a reutilização e reciclagem de componentes ou partículas.
A robótica é outro caminho possível. Pezeshki revelou que em discussões com outros estudantes, ele acreditava que este conceito de material poderia ser estendido à "robótica de enxame": um grande número de pequenos robôs estão emaranhados uns com os outros através do design de formas e mecanismos, e são combinados em estruturas maiores e mais complexas ao realizar tarefas; após a conclusão da tarefa, eles são desembaraçados e dispersos para executar novas instruções.
Barthelat usou uma imagem familiar de ficção científica como metáfora - semelhante ao robô de metal líquido T-1000 no filme "Exterminador do Futuro 2": ele pode "liquefazer-se" em um estado fluido em um espaço pequeno e passar por obstáculos, e pode re-condensar em uma forma completa do outro lado. “É claro que o custo desta tecnologia é atualmente muito elevado e ainda existem muitos desafios para conseguir uma aplicação em larga escala, mas esta é uma direção à qual muitos investigadores estão atentos”, disse ele.
Atualmente, a equipe continua a otimizar esse sistema de materiais e a tentar designs de partículas mais complexos, como a adição de “pernas” ou “ganchos” extra salientes para tornar as partículas um pouco semelhantes ao tribulus espinhoso comumente encontrado nas roupas. Espera-se que este tipo de estrutura multiprotuberante melhore ainda mais o efeito de emaranhamento e melhore a estabilidade e ajustabilidade da estrutura geral.