A busca por materiais extremamente resistentes a impactos, fundamentais para o desenvolvimento de espaçonaves, veículos, capacetes e outros objetos, tem levado engenheiros do MIT a explorar o fascinante mundo dos metamateriais. Esses materiais, intencionalmente projetados com arquiteturas microscópicas, revelaram-se altamente promissores em experimentos de alta velocidade. O estudo recentemente publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences destaca uma abordagem inovadora para testar a resiliência desses metamateriais a impactos supersônicos.
Ao invés de depender de lajes sólidas, os engenheiros do MIT descobriram que uma estrutura intricada de suportes e vigas em forma de favo de mel pode resistir de maneira mais eficiente a impactos supersônicos. Mais notavelmente, a arquitetura específica dessas estruturas desempenha um papel crucial em sua resiliência. O estudo enfatiza que a microestrutura do material é um fator determinante, mesmo em condições de deformação de alta taxa.
Carlos Portela, autor do estudo e professor de desenvolvimento de carreira de Brit e Alex d’Arbeloff em Engenharia Mecânica no MIT, destaca a importância de identificar estruturas resistentes a impactos que possam ser aplicadas em revestimentos ou painéis para diversos fins, desde naves espaciais até capacetes leves e protetores.
Experimentos de alta velocidade
Os experimentos realizados pelos pesquisadores envolvem a suspensão de minúsculas redes de metamateriais entre estruturas de suporte microscópicas. Em seguida, partículas ainda menores são disparadas contra esses materiais a velocidades supersônicas. O uso de câmeras de alta velocidade permite a captura precisa de cada impacto e suas consequências em nanossegundos.
A equipe identificou arquiteturas de metamateriais mais resilientes a impactos supersônicos em comparação com materiais sólidos e não arquitetados. Os resultados obtidos em nível microscópico são indicativos de como essas estruturas podem resistir a impactos em escalas macro, proporcionando insights valiosos para o design de materiais em ambientes do mundo real.
Metamateriais independentes
O estudo recente representa uma evolução dos experimentos anteriores que testaram a resiliência de um material ultraleve à base de carbono. Agora, os pesquisadores desenvolveram uma metodologia para testar metamateriais independentes, permitindo observar como esses materiais resistem a impactos por si próprios, sem suporte ou substrato externo.
A configuração atual envolve a suspensão de um metamaterial entre dois pilares microscópicos feitos do mesmo material base. Essa abordagem garante que a propriedade material seja medida independentemente da estrutura de suporte. Essa inovação permite a impressão e teste de centenas de estruturas em um único chip, acelerando significativamente o processo de validação de novos materiais.
Design de metamateriais para proteção avançada
Os resultados revelam que a arquitetura do octeto é particularmente eficaz na resistência a impactos. Materiais impressos com essa estrutura mostraram-se até duas vezes mais resistentes a impactos em comparação com materiais a granel. As imagens resultantes dos testes evidenciam que, enquanto metamateriais reticulados desenvolvem pequenos furos, permanecem intactos. Em contrapartida, materiais sólidos e não reticulados sofrem grandes fissuras e desintegram-se rapidamente sob condições similares.
O estudo representa um salto significativo na capacidade de identificar designs de metamateriais que possam ser ampliados para diversas aplicações. Os pesquisadores planejam utilizar essa abordagem rápida de teste e análise para descobrir novas arquiteturas de metamateriais, visando o desenvolvimento de equipamentos de proteção, roupas, revestimentos e painéis mais fortes e leves.
Carlos Portela expressa seu entusiasmo ao afirmar que a realização desses experimentos extremos em uma bancada acelerará substancialmente a validação de materiais novos, resilientes e de alto desempenho. Este trabalho, financiado pelo DEVCOM ARL Army Research Office através do MIT Institute for Soldier Nanotechnologies (ISN), representa um passo significativo em direção à revolução dos materiais utilizados em ambientes desafiadores e de alto impacto.
