Um pacote bem embalado de clipes de papel pode se comportar de maneira estranha. Embora seja composto de muitas partes separadas, a massa emaranhada pode ser difícil de quebrar e pode agir quase como um único objeto sólido.
No entanto, o mesmo pacote pode desvendar-se rapidamente. Com a vibração ou movimento correto, os grampos podem se separar e retornar a uma montagem solta de peças individuais.
Pesquisadores do Departamento de Engenharia Mecânica Paul M. Reddy da CU Boulder acreditam que esta combinação incomum de resistência e reversibilidade pode ajudar a inspirar uma nova geração de materiais de engenharia. Ao projetar partículas que se conectam de maneira semelhante aos clipes de papel, eles esperam criar materiais duráveis, adaptáveis e potencialmente recicláveis.
“Há anos que brincamos com a ideia de blocos de construção e geometrias, mas só recentemente começámos a olhar para partículas interligadas e emaranhadas”, disse o professor François Bartello, chefe do Laboratório de Materiais Avançados e Bioinspiração. “Estamos entusiasmados com a combinação de propriedades que podemos obter desses sistemas e acreditamos que esta tecnologia tem potencial para se desenvolver em muitas direções.”
As descobertas foram publicadas recentemente em Revista de Física Aplicada.
Como partículas emaranhadas criam força
A pesquisa se concentra em um fenômeno conhecido como emaranhamento, que ocorre quando as partículas ficam emaranhadas e formam ligações umas com as outras.
O emaranhamento é comum em toda a natureza. Os ninhos de pássaros, por exemplo, dependem de uma rede de galhos e fibras entrelaçadas para sustentar sua estrutura. Os ossos também ganham força através da interação de componentes minerais duros e proteínas mais macias.
A equipe da CU Boulder queria entender como princípios semelhantes poderiam ser usados para criar materiais manufaturados. O seu trabalho apontou para um factor importante: a forma das próprias partículas.
“Tomemos a areia como exemplo. A areia é lisa e tem formato convexo, o que significa que não pode se unir de grão a grão”, disse o estudante Yuhan Song. “No entanto, descobrimos que se mudarmos a forma de um grão de areia, podemos afetar significativamente o seu comportamento e propriedades mecânicas, incluindo a capacidade da partícula de se ligar a outras partículas.”
Para investigar mais, os pesquisadores usaram simulações de Monte Carlo, uma técnica de computação que lhes permitiu estudar como diferentes formas de partículas interagem. Seu objetivo era determinar a geometria que maximizaria o emaranhamento.
Por que as partículas em forma de grampo se destacam
Depois de identificar projetos promissores através de simulações, a equipe realizou testes para observar como as partículas se comportam em condições do mundo real.
Os resultados mostraram que a partícula “bípede”, semelhante a um grampeador, criou o maior grau de emaranhamento. Os pesquisadores também descobriram que este formulário oferece vários benefícios inesperados.
Uma das mais notáveis foi a sua capacidade de combinar resistência à tração e tenacidade, duas propriedades que muitas vezes são difíceis de obter em conjunto em materiais convencionais.
“Nosso material granular emaranhado usando partículas básicas exibe alta resistência e durabilidade ao mesmo tempo”, disse o estudante de graduação Said Pezeshki.
As partículas semelhantes a grampos também exibiram outra característica incomum. Eles poderiam rapidamente se fundir em uma estrutura mais forte e depois se desintegrar novamente com a mesma rapidez.
Ao aplicar diferentes padrões de vibração, os pesquisadores conseguiram controlar o quanto as partículas ficaram emaranhadas. Vibrações suaves ajudaram as partículas a unir e fortalecer o material, enquanto vibrações mais fortes fizeram com que a malha se desfizesse.
“É um material estranho porque obviamente não é um líquido. No entanto, também não é sólido. Isto abre novas e intrigantes possibilidades de engenharia”, disse Bartelat. “Processar um feixe destas partículas emaranhadas parece muito remoto e exótico.”
Possível uso em construção e robótica
Os investigadores acreditam que esta tecnologia poderá eventualmente apoiar abordagens mais sustentáveis à construção.
No futuro, pontes, edifícios e outras grandes estruturas poderão ser construídas com materiais misturados que poderão mais tarde ser desmontados em vez de demolidos. Tais materiais podem potencialmente ser reutilizados ou completamente reciclados no final da sua vida útil.
O conceito também pode ter aplicações em robótica.
“Conversei com outros estudantes que acham que essa tecnologia poderia ser usada na robótica de enxame – onde pequenos robôs podem se enroscar, completar uma tarefa e depois se desembaraçar quando terminarem”, disse Pezeszki.
“Sim, mais ou menos como aquele T-1000 de metal líquido no Terminator 2, que pode mudar de forma para caber sob uma porta e depois ficar do tamanho humano do outro lado”, acrescentou Bartelat. “É caro e a expansão é um desafio, mas é algo que está na cabeça de todos.”
Testando designs de partículas ainda mais fortes
A equipe agora está avançando para a próxima fase da pesquisa.
Seus experimentos mais recentes se concentram em um novo design de partículas que inclui “pernas” salientes adicionais. Os pesquisadores comparam o formato a rebarbas espinhosas que teimosamente grudam em sapatos e roupas ao ar livre. Eles acreditam que esses recursos adicionais podem criar efeitos de emaranhamento ainda mais fortes e abrir novas possibilidades para materiais futuros.
