Uma equipe de pesquisadores da Universidade de Massachusetts Amherst anunciou recentemente no Proceedings of the National Academy of Sciences que havia projetado uma nova substância sólida semelhante à borracha que tem qualidades surpreendentes. Ele pode absorver e liberar grandes quantidades de energia. E é programável. Juntos, esse novo material é uma grande promessa para uma ampla gama de aplicações, desde permitir que os robôs tenham mais potência sem usar energia adicional, até novos capacetes e materiais de proteção que podem dissipar energia muito mais rapidamente.
“Imagine um elástico”, diz Alfred Crosby, professor de ciência e engenharia de polímeros da UMass Amherst e autor sênior do artigo. “Você o puxa para trás e, quando o solta, ele voa pela sala. Agora imagine um super elástico. Quando você o estica além de um certo ponto, você ativa energia extra armazenada no material. Quando você solta esse elástico vá, ele voa por uma milha.”
Essa hipotética faixa de borracha é feita de um novo metamaterial – uma substância projetada para ter uma propriedade não encontrada em materiais naturais – que combina uma substância elástica semelhante à borracha com minúsculos ímãs embutidos nela. Este novo material “elasto-magnético” aproveita uma propriedade física conhecida como mudança de fase para amplificar bastante a quantidade de energia que o material pode liberar ou absorver.
Uma mudança de fase ocorre quando um material se move de um estado para outro: pense na água se transformando em vapor ou concreto líquido endurecendo em uma calçada. Sempre que um material muda de fase, a energia é liberada ou absorvida. E as mudanças de fase não se limitam apenas a mudanças entre os estados líquido, sólido e gasoso – uma mudança pode ocorrer de uma fase sólida para outra. Uma mudança de fase que libera energia pode ser aproveitada como fonte de energia, mas obter energia suficiente sempre foi a parte difícil.
“Para amplificar a liberação ou absorção de energia, você precisa projetar uma nova estrutura no nível molecular ou mesmo atômico”, diz Crosby. No entanto, isso é desafiador e ainda mais difícil de fazer de maneira previsível. Mas ao usar metamateriais, Crosby diz que “superamos esses desafios e não apenas criamos novos materiais, mas também desenvolvemos os algoritmos de design que permitem que esses materiais sejam programados com respostas específicas, tornando-os previsíveis”.
A equipe foi inspirada por algumas das respostas rápidas vistas na natureza: o fechamento das armadilhas de Vênus e formigas de mandíbula. “Levamos isso para o próximo nível”, diz Xudong Liang, principal autor do artigo, atualmente professor do Harbin Institute of Technology, Shenzhen (HITSZ) na China, que completou esta pesquisa enquanto pós-doutorado na UMass Amherst. “Ao incorporar minúsculos ímãs no material elástico, podemos controlar as transições de fase desse metamaterial. E como a mudança de fase é previsível e repetível, podemos projetar o metamaterial para fazer exatamente o que queremos: absorver a energia de um grande impacto, ou liberando grandes quantidades de energia para movimentos explosivos.”
Esta pesquisa, que foi apoiada pelo Laboratório de Pesquisa do Exército dos EUA e pelo Escritório de Pesquisa do Exército dos EUA, bem como pelo Instituto de Tecnologia Harbin, Shenzhen (HITSZ), tem aplicações em qualquer cenário em que sejam necessários impactos de alta força ou respostas rápidas.
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