Engenheiros e cientistas da Universidade do Texas em Austin e do instituto AMOLF na Holanda inventaram os primeiros metamateriais mecânicos que transferem facilmente o movimento sem esforço em uma direção enquanto o bloqueiam na outra, conforme descrito em um artigo publicado em 13 de fevereiro em Natureza . O material pode ser considerado um escudo mecânico unilateral que bloqueia a entrada de energia, mas a transmite facilmente pelo outro lado.

Os pesquisadores desenvolveram os primeiros materiais mecânicos não recíprocos usando metamateriais, que são materiais sintéticos com propriedades que não podem ser encontradas na natureza.

Romper a simetria do movimento pode permitir um maior controle sobre os sistemas mecânicos e uma maior eficiência. Esses metamateriais não recíprocos podem ser potencialmente usados ​​para realizar novos tipos de dispositivos mecânicos:por exemplo, atuadores (componentes de uma máquina que são responsáveis ​​por mover ou controlar um mecanismo) e outros dispositivos que podem melhorar a absorção de energia, conversão e colheita, robótica suave e próteses.

A descoberta dos pesquisadores está na capacidade de superar a reciprocidade, um princípio fundamental que governa muitos sistemas físicos, o que garante que obteremos a mesma resposta quando empurramos uma estrutura arbitrária de direções opostas. Este princípio governa como os sinais de várias formas viajam no espaço e explica por que, se podemos enviar um rádio ou um sinal acústico, nós também podemos recebê-lo. Na mecânica, a reciprocidade implica que o movimento através de um objeto é transmitido simetricamente:Se, empurrando no lado A, movemos o lado B em uma certa quantidade, podemos esperar o mesmo movimento no lado A ao empurrar B.

"Os metamateriais mecânicos que criamos fornecem novos elementos na paleta que os cientistas de materiais podem usar para projetar estruturas mecânicas, "disse Andrea Alu, professor da Cockrell School of Engineering e co-autor do artigo. "Isso pode ser de extremo interesse para aplicações nas quais é desejável quebrar a simetria natural com a qual o deslocamento das moléculas viaja na microestrutura de um material."

Durante os últimos dois anos, Alu, junto com o cientista pesquisador da Cockrell School Dimitrios Sounas e outros membros de sua equipe de pesquisa, fizeram avanços empolgantes na área de dispositivos não recíprocos para eletromagnetismo e acústica, incluindo a realização de dispositivos não recíprocos inéditos para som, ondas de rádio e luz. Ao visitar o instituto AMOLF na Holanda, eles começaram uma colaboração frutífera com Corentin Coulais, um pesquisador AMOLF, que recentemente vem desenvolvendo metamateriais mecânicos. Sua interação íntima levou a esse avanço.

Os pesquisadores primeiro criaram um feito de borracha, metamaterial em escala centimétrica com um design de esqueleto em espinha de peixe especificamente adaptado. Eles adaptaram seu design para atender às principais condições para quebrar a reciprocidade, ou seja, assimetria e uma resposta que não é linearmente proporcional à força exercida.

"Essa estrutura nos deu inspiração para o projeto de um segundo metamaterial, com propriedades não recíprocas excepcionalmente fortes, "Coulais disse." Ao substituir os elementos geométricos simples do metamaterial espinha de peixe por uma arquitetura mais intrincada feita de quadrados e diamantes conectados, descobrimos que podemos quebrar fortemente as condições de reciprocidade, e podemos obter uma resposta não recíproca muito grande. "

A estrutura do material é uma rede de quadrados e diamantes que é completamente homogênea em toda a amostra, como um material comum. Contudo, cada unidade da rede é ligeiramente inclinada de uma certa maneira, e essa diferença sutil controla dramaticamente a maneira como o metamaterial responde a estímulos externos.

"O metamaterial como um todo reage assimetricamente, com um lado muito rígido e outro muito macio, "Sounas disse." A relação entre a assimetria da unidade e a localização do lado suave pode ser prevista por uma estrutura matemática muito genérica chamada topologia. Aqui, quando as unidades arquitetônicas se inclinam para a esquerda, o lado direito do metamaterial será muito macio, e vice versa."

Quando os pesquisadores aplicam uma força no lado macio do metamaterial, facilmente induz rotações dos quadrados e diamantes dentro da estrutura, mas apenas nas proximidades do ponto de pressão, e o efeito do outro lado é pequeno. Por outro lado, quando eles aplicam a mesma força no lado rígido, o movimento se propaga e é amplificado por todo o material, com um grande efeito do outro lado. Como resultado, empurrar da esquerda ou da direita resulta em respostas muito diferentes, produzindo uma grande não reciprocidade, mesmo para pequenas forças aplicadas.

A equipe está ansiosa para alavancar esses metamateriais mecânicos topológicos para várias aplicações, otimizando-os, e esculpir dispositivos para aplicações em robótica leve, próteses e captação de energia.