Quando você deforma um material macio, como Silly Putty, suas propriedades mudam dependendo da velocidade com que você o estica e aperta. Se você deixar a massa em um copo pequeno, eventualmente se espalhará como um líquido. Se você puxar devagar, ele vai ficar fino e pender como um caramelo viscoso. E se você puxar rapidamente, o Silly Putty vai quebrar como um quebradiço, barra sólida.

Os cientistas usam vários instrumentos para alongar, espremer, e torça materiais macios para caracterizar precisamente sua resistência e elasticidade. Mas normalmente, tais experimentos são realizados sequencialmente, o que pode ser demorado.

Agora, inspirado nas sequências de som usadas por morcegos e golfinhos na ecolocalização, Os engenheiros do MIT desenvolveram uma técnica que melhora muito a velocidade e a precisão da medição das propriedades de materiais macios. A técnica pode ser usada para testar as propriedades de secagem do cimento, sangue coagulado, ou quaisquer outros materiais macios "mutantes" à medida que mudam com o tempo. Os pesquisadores relatam seus resultados na revista. Revisão Física X .

“Esta técnica pode ajudar em muitos setores, [que não] terá que mudar seus instrumentos estabelecidos para obter uma análise muito melhor e precisa de seus processos e materiais, "diz Bavand Keshavarz, um pós-doutorado no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT.

"Por exemplo, este protocolo pode ser usado para uma ampla gama de materiais macios, da saliva, que é viscoelástica e fibrosa, a materiais tão rígidos quanto cimento, "acrescenta a estudante Michela Geri." Todos eles podem mudar rapidamente com o tempo, e é importante caracterizar suas propriedades com rapidez e precisão. "

Geri e Keshavarz são co-autores do artigo, que também inclui Gareth McKinley, o Professor de Ensino de Inovação da Escola de Engenharia e professor de engenharia mecânica no MIT; Thibaut Divoux do Laboratório Conjunto CNRS-MIT; Christian Clasen da KU Leuven, na Bélgica; e Dan Curtis da Swansea University no País de Gales.

Em direção a medições mais rápidas

A nova técnica do grupo melhora e estende o sinal de deformação que é capturado por um instrumento conhecido como reômetro. Tipicamente, esses instrumentos são projetados para esticar e apertar um material, vai e volta, sobre cepas pequenas ou grandes, dependendo de um sinal enviado na forma de um perfil oscilante simples, que informa ao motor do instrumento a velocidade ou a distância para deformar o material. Uma frequência mais alta aciona o motor no reômetro para trabalhar mais rápido, cisalhando o material em uma taxa mais rápida, enquanto uma frequência mais baixa retarda essa deformação.

Outros instrumentos que testam materiais macios funcionam com sinais de entrada semelhantes. Isso pode incluir sistemas que pressionam e torcem materiais entre duas placas, ou que agitam materiais em recipientes, em velocidades e forças determinadas pelo perfil de frequência que os engenheiros programam nos motores dos instrumentos.

A data, o método mais preciso para testar materiais macios tem sido fazer testes sequencialmente ao longo de um período prolongado. Durante cada teste, um instrumento pode, por exemplo, esticar ou cisalhar um material em uma única baixa frequência, ou oscilação do motor, e registre sua rigidez e elasticidade antes de mudar para outra frequência. Embora esta técnica produza medições precisas, pode levar horas para caracterizar completamente um único material.

Um chilrear retumbante

Nos últimos anos, pesquisadores procuraram acelerar o processo de teste de materiais macios, alterando o sinal de entrada dos instrumentos e comprimindo o perfil de frequência que é enviado aos motores.

Os cientistas se referem a este mais curto, mais rápido, e um perfil de frequência mais complexo como um "chirp, "após a estrutura semelhante de frequências que são produzidas em campos de radar e sonar - e de forma muito ampla, em algumas vocalizações de pássaros e morcegos. O perfil chirp acelera significativamente uma execução de teste experimental, permitindo que um instrumento meça em apenas 10 a 20 segundos as propriedades de um material em uma faixa de frequências ou velocidades que tradicionalmente levariam cerca de 45 minutos.

Mas na análise dessas medidas, pesquisadores encontraram artefatos nos dados de chirps normais, conhecidos como efeitos de toque, o que significa que as medições não eram suficientemente precisas:elas pareciam oscilar ou "soar" em torno dos valores esperados ou reais de rigidez e elasticidade de um material, e esses artefatos pareciam originar-se do perfil de amplitude do chirp, que se assemelhava a um rápido aumento e diminuição das frequências de oscilação do motor.

"É como quando um atleta dá uma corrida de 100 metros sem aquecimento, "Keshavarz diz.

Geri, Keshavarz, e seus colegas procuraram otimizar o perfil chirp para eliminar esses artefatos e, portanto, produzir medições mais precisas, mantendo o mesmo período de tempo de teste curto. Eles estudaram sinais de chilreio semelhantes em radar e sonar - campos originalmente pioneiros no Laboratório Lincoln do MIT - com perfis que foram originalmente inspirados por chilros produzidos por pássaros, morcegos, e golfinhos.

"Morcegos e golfinhos enviam um sinal de chilreio semelhante que encapsula uma gama de frequências, para que eles possam localizar a presa rapidamente, "Geri diz." Eles ouvem o que [frequências] voltam para eles e desenvolveram maneiras de correlacionar isso com a distância ao objeto. E eles têm que fazer isso de forma muito rápida e precisa, caso contrário, a presa vai fugir. "

A equipe analisou os sinais de chirp e otimizou esses perfis em simulações de computador, em seguida, aplicou certos perfis de chirp a seu reômetro no laboratório. Eles descobriram que o sinal que mais reduzia o efeito de toque era um perfil de frequência que ainda era tão curto quanto o sinal chirp convencional - cerca de 14 segundos de duração - mas que aumentava gradualmente, com uma transição mais suave entre as várias frequências, em comparação com os perfis chirp originais que outros pesquisadores têm usado.

Eles chamam este novo sinal de teste de "Chirp Optimally Windowed, "ou OWCh, para a forma resultante do perfil de frequência, que se assemelha a uma janela suavemente arredondada em vez de uma janela pontiaguda, aumento e redução retangulares. Em última análise, a nova técnica comanda um motor para esticar e espremer um material de forma mais gradual, maneira suave.

A equipe testou seu novo perfil chirp no laboratório em vários líquidos viscoelásticos e géis, começando com uma solução de polímero padrão de laboratório que eles caracterizaram usando o tradicional, método mais lento, o perfil chirp convencional, e seu novo perfil OWCh. Eles descobriram que sua técnica produzia medições que correspondiam quase exatamente àquelas do método preciso, porém mais lento. Suas medições também foram 100 vezes mais precisas do que o método convencional de chirp produzido.

Os pesquisadores dizem que sua técnica pode ser aplicada a qualquer instrumento ou aparelho existente projetado para testar materiais macios, e irá acelerar significativamente o processo de teste experimental. Eles também forneceram um pacote de software de código aberto que pesquisadores e engenheiros podem usar para ajudá-los a analisar seus dados, para caracterizar rapidamente qualquer soft, material em evolução, da coagulação do sangue e secagem de cosméticos, para solidificar o cimento.

"Muitos materiais na natureza e na indústria, em produtos de consumo e em nossos corpos, mudar em escalas de tempo bastante rápidas, "Keshavarz diz." Agora podemos monitorar a resposta desses materiais conforme eles mudam, em uma ampla gama de frequências, e em um curto período de tempo. "