Tigelas dobráveis ​​para cães, tubos médicos dobráveis ​​e canudinhos parecem funcionar com um princípio comum, encaixando em uma variedade de estados mecanicamente estáveis ​​e úteis. Apesar das muitas aplicações para tais estruturas de "matéria de designer", Contudo, os mecanismos fundamentais de como funcionam até agora permaneceram misteriosos, dizem cientistas de materiais da Universidade de Massachusetts Amherst liderados por Ryan Hayward.

Agora, ele e seus colegas, incluindo o primeiro autor e ex-aluno de doutorado de Hayward, Nakul Bende, e seu colega físico teórico da UMass Amherst, Christian Santangelo, com o mecânico James Hanna e alunos da Virginia Tech, relatam que descobriram como essas estruturas "multiestáveis" compostas de seções cônicas empilhadas são carregadas com pré-tensão, tensão reprimida que surge "porque o material é forçado a um anel fechado que é mais curvado do que naturalmente deseja ser, "como Hayward explica.

"O que descobrimos é que a propriedade muito útil de ser mecanicamente estável em uma configuração dobrada parece exigir pré-tensão. Pelo que sabemos, ninguém nunca tinha olhado como e por que tais estruturas têm estabilidade no estado dobrado, " ele adiciona.

Ele aponta, "Será útil para nós compreender este princípio fundamental, que é a chave ao projetar novos aplicativos. Se você vai construir um dispositivo reconfigurável, é importante saber por que funciona, e quando pode falhar. "Os detalhes aparecem na edição online atual de Matéria Macia .

Hayward diz que a mecânica que explica a capacidade dos tubos corrugados de serem estendidos e contraídos em comprimento está "muito bem estabelecida, "assim como a ideia de que mover materiais entre estados mecanicamente estáveis ​​exige a superação de uma barreira de energia. Brincando com uma variedade de tubos flexíveis coloridos em sua mesa, ele demonstra que o tubo mantém sua forma em qualquer estado, e que uma barreira de energia é cruzada quando ele entra e sai de cada um.

"O mistério é por que este tubo de cones empilhados deve ser estável no estado dobrado, "ele observa." Não há nenhuma razão óbvia para que um canudo flexível deva ser estável quando dobrado. "

Para experimentar isso, ele e seus colegas cortaram um tubo no sentido do comprimento para ver o que aconteceria. Cortando o tubo, ele diz, "descobrimos que o tubo se abriria e se achataria, que foi um momento fortuito. Era algo que precisávamos voltar e tentar entender. Essa foi a chave para descobrir o papel do pré-estresse. Descobrimos que quando você relaxa a curvatura, a falta de energia armazenada elimina a estabilidade no estado dobrado. Também construímos alguns tubos que forçamos o fechamento em raios menores, para introduzir o pré-estresse, e descobri que isso restaurou a capacidade de manter uma forma curvada. "

Eles analisaram esse efeito de "pré-tensão" por meio da análise da curvatura durante a deformação usando tomografia computadorizada de raios-X e com um modelo mecânico simples que capturou o comportamento qualitativo dos sistemas altamente reconfiguráveis.

Os autores apontam que "Muitos mecanismos biológicos foram descobertos que exploram as transições instantâneas entre estados mecanicamente estáveis ​​de estruturas elásticas delgadas para atingir um movimento rápido. Embora grande parte da literatura tenha se concentrado na biestabilidade, sistemas que suportam vários estados estáveis ​​são atraentes para o projeto de estruturas altamente reconfiguráveis, "como os que eles relatam.