Cientistas criam impressões 3D de materiais que eliminam vibrações completamente

Agora, os cientistas podem estar alcançando um ponto de virada nessa jornada gradual. Pesquisadores da Universidade de Michigan e do Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL) demonstraram uma forma de imprimir em 3D estruturas tubulares intricadas cuja geometria interna única permite suprimir vibrações de maneiras nunca vistas em materiais naturais. Essas criações pertencem a uma classe conhecida como metamateriais mecânicos – substâncias engenheiradas com propriedades que vêm inteiramente de seu design, e não de sua composição.

A capacidade de bloquear ou reduzir vibrações pode ser valiosa em diversas indústrias, desde transporte até construção e além. As descobertas da equipe, publicadas na Physical Review Applied, se baseiam em décadas de teoria e modelagem computacional para produzir estruturas do mundo real que podem desviar vibrações que as atravessam de forma passiva.

“É aqui que está a verdadeira novidade. Temos a realização: conseguimos realmente fabricá-las,” disse James McInerney, associado de pesquisa na AFRL. McInerney era anteriormente um bolsista de pós-doutorado na U-M trabalhando com Xiaoming Mao, professor de física, que também é um dos autores do novo estudo.

“Estamos otimistas de que isso pode ser aplicado para bons propósitos. Neste caso, é isolamento de vibrações,” disse McInerney.

O projeto recebeu financiamento parcial da Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa (DARPA) e do Escritório de Pesquisa Naval, e também contou com o apoio do Programa de Associados de Pesquisa do Conselho Nacional de Pesquisa dos EUA, administrado pelas Academias Nacionais de Ciências, Engenharia e Medicina.

Os colaboradores incluíram Serife Tol, professora associada de engenharia mecânica da U-M; Othman Oudghiri-Idrissi da Universidade do Texas; e Carson Willey e Abigail Juhl da AFRL.

“Por séculos, os humanos melhoraram materiais alterando sua química. Nosso trabalho se baseia no campo dos metamateriais, onde é a geometria – e não a química – que dá origem a propriedades incomuns e úteis,” disse Mao. “Esses princípios geométricos podem se aplicar do nanoscale ao macroscale, nos proporcionando uma robustez extraordinária.”

Fundamentos Estruturais

De acordo com McInerney, o estudo reúne engenharia estrutural clássica, física moderna e ferramentas de fabricação de ponta, como impressão 3D.

“Há uma real probabilidade de que conseguiremos fabricar materiais do zero com precisão incrível,” disse ele. “A visão é que conseguiremos criar materiais arquitetonicamente muito específicos e a pergunta que estamos fazendo é: ‘O que podemos fazer com isso? Como podemos criar novos materiais que sejam diferentes dos que estamos acostumados a usar?'”

Como observou Mao, a equipe não está alterando a química ou a composição molecular de um material. Em vez disso, eles estão explorando como controlar a forma e a estrutura em uma escala fina pode produzir novas e vantajosas propriedades mecânicas.

Na natureza, essa abordagem já existe. Ossos humanos e conchas de plâncton, por exemplo, usam geometrias intrincadas para obter força e resiliência notáveis a partir de materiais simples. Com tecnologias como a impressão 3D, os cientistas podem agora replicar e aprimorar esse princípio de design natural em metais, polímeros e outras substâncias para alcançar efeitos que antes estavam fora de alcance.

“A ideia não é que vamos substituir o aço e os plásticos, mas usá-los de forma mais eficaz,” disse McInerney.

Nova Escola Encontra a Antiga Escola

Embora esse trabalho dependa de inovações modernas, ele possui importantes fundamentos históricos. Para começar, há o trabalho do famoso físico do século 19, James Clerk Maxwell. Embora seja mais conhecido por seu trabalho em eletromagnetismo e termodinâmica, ele também se aventurou na mecânica e desenvolveu considerações de design úteis para criar estruturas estáveis com subunidades repetitivas chamadas redes de Maxwell, disse McInerney.

Outro conceito-chave por trás do novo estudo surgiu na segunda metade do século 20, à medida que os físicos descobriram que comportamentos interessantes e perplexos emergiam perto das bordas e limites dos materiais. Isso levou a um novo campo de estudo, conhecido como topologia, que ainda é muito ativo e trabalha para explicar esses comportamentos e ajudar a capitalizar sobre eles no mundo real.

“Cerca de uma década atrás, houve uma publicação seminal que descobriu que redes de Maxwell podem exibir uma fase topológica,” disse McInerney.

Nos últimos anos, McInerney e colegas exploraram as implicações desse estudo em relação ao isolamento de vibrações. A equipe construiu um modelo que explica esse comportamento e como projetar um objeto real que o exibiria. A equipe agora provou que seu modelo está em seu estágio mais avançado até agora, fabricando tais objetos com nylon impresso em 3D.

Um olhar superficial sobre as estruturas revela por que fabricá-las anteriormente era tão desafiador. Elas se assemelham a uma cerca de corrente que foi dobrada e enrolada em um tubo com uma camada interna e externa conectada. Os físicos chamam esses tubos de kagome, uma referência à tecelagem de cestos tradicional japonesa que utilizava padrões semelhantes.

Esse, no entanto, é apenas o primeiro passo para realizar o potencial de tais estruturas, disse McInerney. Por exemplo, o estudo também mostrou que quanto melhor uma estrutura é em suprimir vibrações, menos peso ela pode suportar. Essa é uma troca custosa, que pode até ser inaceitável, em termos de aplicações, mas destaca oportunidades e questões interessantes que permanecem em um nível fundamental, disse ele.

À medida que essas estruturas novas são fabricadas, cientistas e engenheiros precisarão estabelecer novos padrões e abordagens para testá-las, caracterizá-las e avaliá-las, o que é um desafio que empolga McInerney.

“Porque temos comportamentos tão novos, ainda estamos descobrindo não apenas os modelos, mas a forma como os testaríamos, as conclusões que tiraríamos dos testes e como implementar essas conclusões em um processo de design,” disse ele. “Acho que essas são as questões que honestamente precisam ser respondidas antes de começarmos a responder perguntas sobre aplicações.”