Em um estudo recente publicado em Avanços da Ciência , os cientistas de materiais Julie A. Jackson e seus colegas apresentaram uma nova classe de arquitetura de materiais chamada metamateriais mecânicos responsivos a campo (FRMM). Os FRMMs exibem controle dinâmico e capacidade de ajuste em tempo real para projetar e selecionar a composição e a estrutura do construto. Tipicamente, propriedades de metamateriais mecânicos são programadas e definidas quando a arquitetura é projetada e construída, sem mudar em resposta às mudanças nas condições ambientais externas ou nas aplicações posteriores. As diversas características dos FRMMs foram demonstradas pela primeira vez por meio da impressão de estruturas complexas de tubos poliméricos preenchidos com suspensões de fluido magnetoreológicas (MR) para permitir que campos magnéticos remotos controlem os materiais. De acordo, os cientistas observaram rápido, mudanças reversíveis e consideráveis ​​da rigidez efetiva nos novos construtos de metamateriais.

Materiais sintéticos muitas vezes imitam estruturas celulares, como dentes, ossos e bicos de pássaros na natureza para replicar sua excelente resistência e tenacidade em relação à densidade. Materiais avançados são bioengenharia para imitar estruturas celulares estocásticas (aleatórias) na forma de polímeros e espumas de metal para aplicações estruturais e funcionais. A natureza também pode criar arquiteturas periódicas por design evolucionário, onde as estruturas celulares ordenadas superam as contrapartes estocásticas, como visto com conchas de armadura defensiva e clavas de dáctilo em crustáceos. No laboratório, técnicas de manufatura aditiva e impressão 3-D são usadas para projetar estruturas celulares com nano-, micro-, recursos de escala meso e macro que exibem combinações únicas de mecânica, propriedades funcionais e térmicas. Freqüentemente chamados de metamateriais, as estruturas demonstraram características inovadoras, Incluindo:

• Leve, ainda arquitetura rígida e forte em nanolattices cerâmicos 3-D
• Alta resiliência mecânica em microlattices de aerogel 3-D periódicas de grafeno.
• Índice de Poisson negativo em metamateriais baseados em origami.
• Mantos elasto-mecânicos de "insensibilidade" e mantos de invisibilidade
• Layouts multimateriais com coeficientes de dilatação térmica negativos.

Esses materiais combinam dois ou mais recursos contrastantes para propriedades únicas, mas sua arquitetura permanece fixa no tempo após a fabricação. Como resultado, os materiais não podem responder e se adaptar às mudanças nas condições externas. Materiais adaptáveis ​​e responsivos são cada vez mais desenvolvidos por meio de impressão 4-D, em que a quarta dimensão representa o tempo, atualmente emergindo como uma nova área de pesquisa em ciência dos materiais.

O termo 4-D representa materiais impressos 3-D que podem mudar de forma ou função em resposta a condições ou estímulos externos, incluindo força mecânica, inchaço e campos magnéticos. As demonstrações existentes, Contudo, carecem de controle determinístico de propriedades mecânicas ou exibem cinética lenta para as transformações químicas pretendidas. No presente estudo, Jackson et al., revelar uma nova classe de metamateriais mecânicos responsivos a campo (FRMM) que são impressos em 3D para exibir programáveis, preditivo, propriedades mecânicas reversíveis e controladas em resposta rápida a um campo magnético remoto.

Os tubos de polímero oco impressos em 3-D ou suportes que formam os blocos de construção das redes foram preenchidos com suspensões de fluido magnetoreológicas (MR). Os cientistas usaram o sistema LAPµSL para impressão 3-D camada por camada personalizada, projetando padrões de luz UV em uma resina fotocurável para construir estruturas 3-D a partir de uma pilha de imagens 2-D. Para consistência, eles replicaram um protocolo previamente estabelecido em microstereolitografia. Os fluidos MR continham micropartículas ferromagnéticas em líquidos não magnéticos que podiam mudar rapidamente a viscosidade em resposta a um campo magnético aplicado. Na ausência de um campo magnético, o fluido MR tinha comportamento semelhante ao líquido, com partículas distribuídas aleatoriamente que fluíram livremente para formar uma piscina em um substrato plano. Quando um campo magnético foi aplicado, as partículas se alinharam em cadeias ao longo das linhas de campo e formaram uma matriz espicular de estruturas em forma de lâmina que se assemelhavam a depósitos de estalactite. A viscosidade do fluido aumentou monotonicamente para atingir um patamar de saturação em uma força de campo magnético de ~ 0,3 T.

No estudo, Ensaios magneto-mecânicos foram conduzidos com compressão e flexão em cantilever. Cada cilindro (suporte) foi preenchido com fluido MR disponível comercialmente, que compreendia 50 por cento de partículas de ferro carbonil (variando de 4 a 20 µm) em um óleo estabilizador de partícula de hidrocarboneto. Cada teste magneto-mecânico foi repetido em várias intensidades de campo magnético, onde o campo foi alinhado em paralelo à direção da força aplicada para obter uma série de curvas força-deslocamento. Entre as diversas orientações, a rigidez efetiva foi maior quando o campo aplicado foi paralelo à direção da força. Os testes foram usados ​​para calibrar o modelo no nível de uma única haste e, finalmente, prever a resposta de campo de uma arquitetura de rede maior.

Os cientistas usaram uma teoria de feixe composto padrão, onde a análise assumiu a teoria de flexão de Euler-Bernoulli para derivar um modelo da escora. A teoria incluía a rigidez elástica efetiva do fluido MR e a rigidez elástica das escoras (módulo de Young). O modelo analítico assumiu uma relação linear entre a resistência mecânica e o aumento do campo magnético. Os experimentos foram mantidos abaixo do valor limite de 0,3 T uma vez que o fluido MR foi previamente observado para saturar neste valor.

Os cientistas mostraram a viabilidade da abordagem de fabricação e teste mecânico para arquiteturas mais complexas por células unitárias de cuboctaedro de impressão 3-D usando o processo LAPµSL. As células unitárias foram removidas de qualquer resina líquida de pré-polímero e injetadas com o fluido MR. O procedimento de preenchimento (ou preenchimento) foi bem-sucedido quando a estrutura foi orientada para evitar bolhas de gás aprisionadas.

Jackson et al. testou as células unitárias do cuboctaedro em um aparelho personalizado, variando a distância do ímã à estrutura da célula unitária para controlar a intensidade do campo magnético. Eles calcularam a relação entre o módulo de Young efetivo e a força do campo magnético da célula unitária por meio de testes de compressão. O tempo de resposta foi medido pela taxa na qual as propriedades mecânicas mudaram no material em resposta à aplicação ou remoção de um campo magnético. A reversibilidade dos resultados magneto-mecânicos também foi testada com uma medição controlada por deformação, onde a célula alternou entre os estados de ativação / desativação de campo enquanto sob pressão de compressão de 10 por cento. As partículas magnéticas passaram por uma transição mais rápida de um estado de desordem para a ordem quando o campo magnético foi aplicado.

Os cientistas mostraram a possibilidade de criar uma área maior de FRMM imprimindo uma rede cuboctaedro com 2 por 2 por 2 arranjos de células unitárias. Para produzir os espécimes, as redes vazias drenadas foram injetadas com fluido MR como antes, mas, neste caso, com duas seringas conectadas a cada célula unitária. Mais uma vez, a resposta de rigidez da rede foi medida em função da intensidade do campo magnético.

Para observar o efeito de resposta de campo da rede de metamaterial mecânica, os cientistas colocaram uma carga estática de 10 g de massa, com uma condição inicial de campo magnético aplicado máximo de 0,11 T. Quando o campo magnético foi removido lentamente, a rigidez efetiva diminuiu, deformar a estrutura sob a carga para comprimir e dobrar. Após a remoção completa do ímã, a massa escorregou da superfície da rede para mostrar a mudança na capacidade de transporte de carga. Os FRMMs podem alterar a rigidez em um experimento controlado por estresse, ajustando apenas o campo magnético. O trabalho demonstrou os primeiros FRMMs ajustáveis ​​com uma faixa dinâmica de reações mecânicas rápidas e reversíveis em resposta a campos magnéticos aplicados remotamente.

O processo de desenvolvimento é ágil e simples para replicação, com base na impressão 3-D, combinado com métodos de entrega de fluido controlada para projetar uma nova classe de metamateriais mecânicos de microarquitetura. Futuros FRMMs podem ser compostos de redes microfluídicas ativas para regular o fluxo de fluidos MR em microcompartimentos para acessibilidade controlada por tempo. A modelagem magnética pode aumentar o controle direcional para uma variedade de aplicações. Os cientistas prevêem o uso de FRMMs em uma ampla gama de aplicações emergentes, incluindo robótica leve, como capacetes "resistentes a colisões" de adaptação rápida para ciclistas e wearables inteligentes com cancelamento de ruído.

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