Um novo estudo publicado em Avanços da Ciência descobriram que certos tipos de materiais têm uma "memória" de como foram processados, armazenado, e manipulado. Os pesquisadores foram então capazes de usar essa memória para controlar como um material envelhece e para codificar propriedades específicas que permitem que ele execute novas funções. Esta abordagem criativa para projetar materiais foi o resultado de uma colaboração entre Andrea Liu da Penn e Sidney R. Nagel, Nidhi Pashine, e Daniel Hexner, da Universidade de Chicago.

Liu e Nagel trabalharam juntos por muitos anos na física de sistemas desordenados. Em contraste com os sistemas ordenados, que têm padrões sistemáticos e repetitivos, sistemas desordenados são arranjados aleatoriamente. Um exemplo ilustrativo é uma parede natural feita de terra compactada, onde os grãos individuais não são empilhados ordenadamente, mas se agrupam para formar uma estrutura rígida. Os pesquisadores estão interessados ​​nesses sistemas porque sua aleatoriedade permite que sejam facilmente transformados em novos metamateriais mecânicos com propriedades mecânicas exclusivas.

Uma propriedade importante que os cientistas de materiais gostariam de controlar é como um material responde quando uma força externa é aplicada. Quando a maioria dos materiais é esticada em uma direção, eles encolhem perpendicularmente, e quando comprimidos eles se expandem perpendicularmente, como um elástico - quando esticado, torna-se fino, e quando comprimido torna-se mais espesso.

Materiais que fazem o oposto, aqueles que encolhem perpendicularmente quando comprimidos e se tornam mais grossos quando esticados, são conhecidos como auxéticos. Esses materiais são raros, mas suspeita-se que sejam melhores na absorção de energia e mais resistentes a fraturas. Os pesquisadores estão interessados ​​em criar materiais auxéticos para ajudar a melhorar a função de materiais que, entre outras coisas, poderia absorver o choque.

Neste estudo, os pesquisadores queriam ver se podiam usar a "memória" de um material desordenado das tensões anteriores que ele havia encontrado para transformar o material em algo novo. Primeiro, eles fizeram simulações de computador de materiais normais sob pressão e alteraram seletivamente as ligações atômicas para ver quais mudanças poderiam tornar o material auxético. Eles descobriram que, cortando as ligações ao longo das áreas com maior estresse externo, eles poderiam criar digitalmente um material auxético.

Usando esse insight, a equipe então pegou um material semelhante a isopor e acrescentou "memória", permitindo que o material envelhecesse sob tensões específicas. Para tornar o material auxético, eles aplicaram uma pressão constante no material e o deixaram envelhecer naturalmente. "Com tudo sob pressão, ele se ajustou. Transformou-se de um material normal em um metamaterial mecânico, "diz Liu.

Este processo incrivelmente simples e eficaz é um passo mais próximo em direção ao "Santo Graal" da ciência dos materiais de ser capaz de criar materiais com estruturas específicas de nível atômico sem a necessidade de equipamentos de alta resolução ou modificações no nível atômico. Em vez disso, a abordagem descrita neste artigo requer apenas um pouco de paciência enquanto o sistema ganha "memória" e envelhece naturalmente.

Liu diz que é uma maneira "totalmente diferente" de pensar em fazer novos materiais. "Você começa com um sistema desordenado, e se você aplicar as tensões certas, você pode fazer com que saia com as propriedades que você deseja, " ela diz.

Este trabalho também tem uma forte conexão com estruturas em biologia. Órgãos, enzimas, e as redes de filamentos são exemplos naturais de sistemas desordenados que são difíceis de emular sinteticamente devido à sua complexidade. Agora, os pesquisadores poderiam usar essa abordagem mais simples como ponto de partida para criar estruturas complexas feitas pelo homem que se inspiram na ampla gama de propriedades vistas na biologia.

Nagel está otimista quanto ao futuro. "Além de fazer materiais auxéticos, " ele diz, "também usamos um computador para projetar um controle mecânico preciso de partes distantes do material, aplicando tensões locais. Isso também é inspirado pela atividade biológica. Agora precisamos ver se isso, também, pode ser feito para funcionar envelhecendo um material real no laboratório. "

"As possibilidades nesta fase parecem ilimitadas, "diz Nagel." Somente com mais trabalho teórico e experimentação vamos começar a entender quais são os limites deste novo conceito de design de material. "