Metamaterial mecânico cria escudo contra movimento

Redação do Site Inovação Tecnológica -  02/03/2017

O metamaterial funciona como um "diodo mecânico", bloqueando o movimento vindo de um lado, mas deixando o movimento vindo do outro lado passar sem problemas. [Imagem: Cockrell School of Engineering]

Reciprocidade

Para dizer o mínimo, este material quebra um princípio fundamental que descreve os sistemas mecânicos, chamado reciprocidade, que estabelece que obteremos sempre a mesma resposta quando empurrarmos uma estrutura de um lado ou de outro.

Em vez disso, este novo material transfere facilmente o movimento mecânico aplicado de um lado, mas bloqueia esse movimento vindo do outro lado.

Esse comportamento não-recíproco pode ser entendido como uma espécie de "diodo mecânico" - enquanto os diodos eletrônicos deixam que a corrente passe em apenas um sentido, o diodo mecânico faz o mesmo com o movimento, funcionando como uma espécie de escudo que bloqueia a energia mecânica vinda de um lado, mas deixa a energia mecânica vindo do outro lado passar sem problemas.

Corentin Coulais e seus colegas do Instituto AMOLF, na Holanda, quebraram a reciprocidade mecânica usando metamateriais, materiais sintéticos com propriedades não encontradas em materiais naturais. O trabalho mostra a versatilidade desses materiais, expandindo para o movimento o que eles vêm fazendo há algum tempo para sinais de outra natureza, como as ondas eletromagnéticas e acústicas.

Escudo contra o movimento

A estrutura do metamaterial consiste em uma rede de quadrados e diamantes completamente homogênea em toda a sua extensão. No entanto, cada unidade geométrica fica ligeiramente inclinada de uma forma precisa, e esta diferença sutil controla a forma como o metamaterial responde aos estímulos externos.

As diferenças sutis na inclinação (em 3D) das peças propagam ou dispersam o movimento. [Imagem: Corentin Coulais et al. - 10.1038/nature21044]

"O metamaterial como um todo reage assimetricamente, com um lado muito rígido e um lado muito mole," disse Dimitrios Sounas, coautor do trabalho. "A relação entre a assimetria da unidade e a localização do lado mole pode ser prevista por uma estrutura matemática muito genérica chamada topologia. Quando as unidades arquitetônicas se inclinam para a esquerda, o lado direito do metamaterial ficará muito mole e vice-versa".

Em outras palavras, quando uma força é aplicada no lado macio do metamaterial, ele induz rotações dos quadrados e diamantes dentro da estrutura, mas somente nas proximidades do ponto de pressão, e o efeito no outro lado é pequeno. Quando a mesma força é aplicada no lado rígido, o movimento se propaga e é amplificado ao longo de todo o material, produzindo um grande efeito no outro lado. Como resultado, empurrar da esquerda ou da direita resulta em respostas opostas, produzindo uma forte não-reciprocidade mesmo para pequenas forças aplicadas.

Atuadores e próteses

Quebrar a simetria do movimento pode permitir maior controle sobre sistemas mecânicos e maior eficiência. Estes metamateriais não-recíprocos podem ser utilizados para projetar novos tipos de dispositivos mecânicos: por exemplo, atuadores (componentes de uma máquina responsáveis pelo movimento ou controle de um mecanismo) e outros dispositivos que podem melhorar a absorção, conversão e colheita de energia, além de robôs moles e próteses mais confortáveis.

"Os metamateriais mecânicos que criamos colocam novos elementos na paleta que os cientistas dos materiais podem usar para projetar estruturas mecânicas," disse o professor Andrea Alù, coordenador da equipe. "Isso pode ser de extremo interesse para aplicações nas quais é desejável romper a simetria natural com a qual o deslocamento de moléculas viaja na microestrutura de um material".

Bibliografia:

Static non-reciprocity in mechanical metamaterials
Corentin Coulais, Dimitrios Sounas, Andrea Alù
Nature
Vol.: 542, 461–464
DOI: 10.1038/nature21044