p O colapso catastrófico de materiais e estruturas é a consequência inevitável de uma reação em cadeia de danos confinados localmente - desde cerâmicas sólidas que se rompem após o desenvolvimento de uma pequena rachadura até treliças espaciais de metal que cedem após o empenamento de uma única escora. p Em um estudo publicado esta semana em Materiais avançados , engenheiros da Universidade da Califórnia, Irvine e o Instituto de Tecnologia da Geórgia descrevem a criação de uma nova classe de metamateriais mecânicos que deslocalizam deformações para evitar falhas. Eles fizeram isso voltando-se para a tensegridade, um princípio de design centenário em que barras rígidas isoladas são integradas em uma malha flexível de amarras para produzir muito peso, estruturas de treliça autotensáveis.

p Começando com membros de diâmetro de 950 nanômetros, a equipe usou uma sofisticada técnica de gravação direta a laser para gerar células elementares com tamanhos entre 10 e 20 mícrons. Estas foram construídas em supercélulas de oito unidades que podiam ser montadas com outras para formar uma estrutura contínua. Os pesquisadores então conduziram modelagem computacional e experimentos de laboratório e observaram que os construtos exibiam comportamento de deformação homogêneo único, livre de sobrecarga localizada ou subutilização.

p A equipe mostrou que os novos metamateriais apresentam um aumento de 25 vezes na deformabilidade e um aumento de ordens de magnitude na absorção de energia em relação aos arranjos de rede de última geração.

p "Estruturas de tensegridade têm sido estudadas há décadas, particularmente no contexto do projeto arquitetônico, e eles foram recentemente encontrados em uma série de sistemas biológicos, "disse o co-autor sênior Lorenzo Valdevit, um professor de ciência e engenharia de materiais da UCI que dirige o Grupo de Materiais Arquitetados. "As redes de tensegridade periódicas adequadas foram teoricamente conceituadas apenas alguns anos atrás por nosso co-autor Julian Rimoli da Georgia Tech, mas, por meio desse projeto, alcançamos a primeira implementação física e demonstração de desempenho desses metamateriais. "

p Ao desenvolver configurações estruturais para sondas planetárias, a equipe da Georgia Tech descobriu que os veículos baseados em tensegridade podem resistir a deformações severas, ou flambagem, de seus componentes individuais sem colapsar, algo nunca observado em outras estruturas.

p "Isso nos deu a ideia de criar metamateriais que exploram o mesmo princípio, que nos levou à descoberta do primeiro metamaterial de tensegridade 3D, "explicou Rimoli, professor de engenharia aeroespacial na Georgia Tech.

p Tornado possível por novas técnicas de manufatura aditiva, estruturas convencionais extremamente leves, porém fortes e rígidas baseadas em treliças e treliças em escala micrométrica têm sido de grande interesse para os engenheiros por seu potencial para substituir as mais pesadas, substâncias sólidas em aeronaves, pás de turbinas eólicas e uma série de outras aplicações. Embora possua muitas qualidades desejáveis, esses materiais avançados podem - como qualquer estrutura de suporte de carga - ainda ser suscetíveis à destruição catastrófica se sobrecarregados.

p "Em materiais familiares com nanoarquitetura, falha geralmente começa com uma deformação altamente localizada, "disse o primeiro autor Jens Bauer, um cientista de pesquisa da UCI em engenharia mecânica e aeroespacial. "Tiras de cisalhamento, rachaduras superficiais, e a flambagem de paredes e escoras em uma área pode causar uma reação em cadeia levando ao colapso de uma estrutura inteira. "

p Ele explicou que as treliças da treliça começam a entrar em colapso quando os membros compressivos se dobram, já que aqueles em tensão não podem. Tipicamente, essas partes estão interconectadas em nós comuns, o que significa que uma vez que um falha, os danos podem se espalhar rapidamente por toda a estrutura.

p Em contraste, os membros compressivos de arquiteturas de tensegridade formam loops fechados, isolados um do outro e apenas conectados por membros de tração. Portanto, a instabilidade dos membros compressivos só pode se propagar através de caminhos de carga de tração, que - desde que não se rompam - não podem sofrer instabilidade. Empurre para baixo em um sistema de tensegridade e toda a estrutura se comprime de maneira uniforme, prevenção de danos localizados que, de outra forma, causariam falha catastrófica.

p De acordo com Valdevit, que também é professor de engenharia mecânica e aeroespacial na UCI, os metamateriais de tensegridade demonstram uma combinação sem precedentes de resistência a falhas, absorção extrema de energia, deformabilidade e resistência, superando todos os outros tipos de arquiteturas leves de última geração.

p "Este estudo fornece uma base importante para o projeto de sistemas de engenharia superiores, de sistemas de proteção de impacto reutilizáveis ​​a estruturas de suporte de carga adaptativas, " ele disse.