Pesquisadores do Departamento de Engenharia Biomecânica da Delft University of Technology criaram uma nova classe de metamateriais que podem mudar dinamicamente seu comportamento mecânico. Pode ser a base para aplicações práticas, como roupas de proteção contra quedas para idosos. Os resultados devem aparecer no jornal Avanços da Ciência em 17 de junho.

Metamateriais são estruturas de materiais fabricadas artificialmente que derivam suas propriedades de seu design microestrutural interno, em vez da composição química do material a partir do qual são constituídos. Metamateriais podem ser projetados para mostrar propriedades excepcionais não encontradas em materiais naturais simples. Por exemplo, enquanto as estruturas que são comprimidas em uma direção são intuitivamente esperadas para expandir na direção oposta, uma classe de metamateriais chamada materiais auxéticos são propositadamente projetadas para fazer o oposto.

Funcionalidades de metamaterial mecânico

Até agora, as funcionalidades mecânicas do metamaterial não exploraram os efeitos dependentes do tempo. Isso é surpreendente, diz o Dr. Shahram Janbaz, pesquisador do grupo Biomaterials &Tissue Biomechanics da TU Delft e primeiro autor do artigo, porque muitos materiais flexíveis usados ​​para construir metamateriais mecânicos, como plásticos à base de polímero, apresentam comportamento mecânico que depende da velocidade com que são deformados. "Materiais viscoelásticos, quando tenso, passam por mudanças lentas que dissipam energia. Sua resposta mecânica, Portanto, depende da rapidez com que você os deforma. "

O time, liderado pelo Prof. Amir Zadpoor, agora traz a dimensão do tempo para a caixa de ferramentas do metamaterial mecânico, criando o que poderia ser considerado uma nova classe de metamateriais que podem mudar dinamicamente seu comportamento mecânico.

A equipe construiu pilares altos que consistem em dois materiais diferentes:um lado é feito de um material que responde à velocidade de deformação, enquanto o material do outro lado não se importa com a rapidez com que é deformado. Ao aplicar uma força compressiva ao longo da direção do eixo longo desta "bi-viga, "a elasticidade de ambos os materiais garante que não quebre, mas sim que se dobre.

Propriedades estranhas

Os pesquisadores mostraram que o feixe duplo se dobra previsivelmente para o lado esquerdo ou direito, dependendo da velocidade de compressão. Este comportamento dependente da taxa de deformação de feixes duplos é a chave para a criação de novos materiais com propriedades estranhas nunca vistas antes. "Tudo o que você precisa fazer é encontrar uma maneira inteligente de montar vigas duplas e as chances são muito boas de encontrar um comportamento mecânico que nunca foi relatado antes, "diz Zadpoor.

Janbaz explica:"Por exemplo, conectamos dois paralelos, bi-feixes espelhados uns para os outros através de conectores rígidos como uma célula unitária básica que pode ser repetida em todas as direções para criar uma estrutura de rede metamaterial tridimensional. Nós achamos isso, aumentando a taxa de deformação, o comportamento mecânico de tal célula mudou completamente de auxético para convencional. ”Os vídeos que acompanham a publicação mostram como uma rede composta de células unitárias interconectadas encolhe para baixas velocidades de compressão e se expande para altas velocidades.

Formulários

Uma das aplicações potenciais de metamateriais que mostram tal comportamento de comutação é a proteção contra quedas. Diz Zadpoor, "Imagine uma camada vestível. Em circunstâncias normais, é macio e segue os movimentos do corpo. Quando ocorre um impacto, o material muda seu comportamento, atuando como um amortecedor ". Isso pode ajudar as pessoas que sofrem de osteoporose, onde as fraturas ósseas constituem uma complicação importante.

Os pesquisadores também criaram redes de feixe duplo que são programadas para se tornarem menos rígidas se forem tensionadas mais rapidamente. Esse comportamento pode ser chamado de viscoelasticidade negativa e não foi observado antes em sólidos.

Embora possa ser difícil criar vigas duplas muito menores do mesmo projeto que os sistemas de modelo de centímetros testados aqui, os pesquisadores vêem possibilidades de usar técnicas de impressão 3-D para criar redes de pequenos feixes duplos.

Os pesquisadores estão entusiasmados com o potencial de seu projeto de feixe duplo. "Esperamos que este elemento básico possa ser usado para criar uma rica variedade de comportamentos mecânicos, "diz Janbaz.