Ciência dos materiais
Materiais Auxéticos Têm Amplas Aplicações. Algoritmos Avançados Agora Facilitam sua Criação
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Materiais auxéticos encolhem e expandem na direção transversal quando submetidos a compressão axial e tensão, respectivamente. Eles respondem de maneira contra‑intuitiva aos materiais elásticos comuns e, portanto, exibem um coeficiente de Poisson negativo. Esse coeficiente mede a deformação em uma direção perpendicular à força aplicada. Ao contrário dos materiais elásticos habituais, os materiais auxéticos, sob compressão, tornam‑se mais finos na direção perpendicular à força aplicada.
Esses materiais tornaram‑se populares nas últimas duas décadas devido às suas propriedades úteis, como boa tenacidade à fratura, alta resistência à indentação/impacto, módulo de cisalhamento, boa absorção de energia, deformação sinclástica e alta deformação transversal. Eles também apresentam alta resistência a amassados e superior isotropia de superfície.
Todas essas propriedades enriqueceram os materiais auxéticos, garantindo que eles tenham ampla usabilidade. Nos segmentos a seguir, examinaremos alguns desses casos de uso nos campos da ciência médica e saúde, engenharia de veículos, engenharia de proteção, vestuário, etc.
Materiais Auxéticos em Cuidados de Saúde e Ciências Médicas
Polietileno auxético de alta densidade é usado para desenvolver discos intervertebrais artificiais para cirurgia da coluna. Esses discos podem dobrar e torcer e potencialmente oferecer desempenho biomecânico aprimorado em comparação com soluções tradicionais de substituição de discos. Suas propriedades auxéticas evitam protuberâncias que poderiam lesionar os nervos circundantes, permitindo que o disco imite perfeitamente o comportamento de um disco intervertebral lombar natural.
Um parafuso pedicular auxético também foi proposto para melhorar a interação biomecânica entre o osso circundante e o parafuso, principalmente para a coluna.
Pesquisas também ajudaram cientistas a desenvolver um stent coronário de geometria auxética baseado em aço inoxidável de grau médico 316L. Esse stent pode expandir tanto nas direções radial quanto longitudinal e ser otimizado para um diâmetro e comprimento de vaso específicos, criando um determinado volume de lúmen, minimizando o impacto negativo do stent na parede do vaso.
Materiais auxéticos também demonstraram ser úteis em outras aplicações médicas, como hastes de implantes de quadril, fixação para ossos longos, patches cardíacos, swabs nasofaríngeos, palmilhas ortopédicas e mais. Eles também são valiosos em engenharia de tecidos e na fabricação de estruturas e membranas para dispositivos médicos in‑vitro.
Materiais Auxéticos em Engenharia de Veículos
Pesquisas recentes demonstraram que materiais e estruturas auxéticas podem oferecer um método de design superior que melhora as características de absorção de energia dos para-choques de tubo de parede fina tradicional e das caixas de absorção de energia.
Essas estruturas teriam maior rigidez, vantagem de absorção de energia em colisões de velocidade média e um tempo de amortecimento mais longo para a absorção de energia da colisão e o processo de aceleração‑desaceleração dos ocupantes. Elas também obtêm pontuações altas em termos de capacidade de absorção de energia, eficiência de absorção de energia e outros índices de desempenho.
Um dos pesquisadores desta área sugeriu especificamente um para-choque que compreendia uma estrutura de viga sanduíche auxética e uma combinação de bloco absorvente de energia otimizada por um algoritmo multi‑objetivo, o que melhorou a resistência a impactos frontais do veículo.
Materiais Auxéticos em Engenharia de Proteção
O uso de estruturas auxéticas na engenharia de proteção surgiu devido à sua alta absorção de energia, resistência à compressão por indentação aprimorada e propriedades de resistência ao cisalhamento aumentadas.
A pesquisa ajudou a encontrar estruturas de painéis sanduíche em favo de mel auxéticos que poderiam proteger a estrutura de concreto armado de impactos severos e cargas de explosão próximas.
Além disso, painéis sanduíche cilíndricos com efeito auxético apresentaram propriedades de resistência a explosões mais fortes e poderiam ser usados para projetar de forma eficiente cascas robustas de aeronaves, espaçonaves, cascos de submarinos, tanques de combustível, abrigos de minas de carvão e outras estruturas curvas.
Materiais Auxéticos em Engenharia de Vestuário
A propriedade de expansão transversal dos materiais auxéticos sob carga ajuda a formar curvaturas duplas durante a flexão. Essa propriedade permite que as vestimentas feitas desses materiais se adaptem aos contornos mutáveis do corpo humano durante o movimento. Pesquisas mostram que roupas de maternidade de tecido auxético apresentam menor concentração de tensões em comparação com contrapartes tradicionais. Elas também são confortáveis de usar.
Essa ampla gama de possibilidades de aplicação resultou em um aumento da demanda por materiais auxéticos. Para atender a essa demanda crescente, pesquisadores desenvolveram uma receita de três etapas para projetar materiais auxéticos sob demanda.
Um Procedimento de Três Etapas para Criar Materiais Auxéticos sob Demanda
Pesquisadores do National Institute of Standards and Technology (NIST) e a University of Chicago têm feito esforços concentrados para acelerar a introdução no mercado de produtos auxéticos.
Mais precisamente, esses pesquisadores desenvolveram uma ferramenta algorítmica que auxilia no design tridimensional preciso de auxéticos. Segundo o co‑autor do estudo, Edwin Chan, engenheiro de pesquisa de materiais do NIST:
“Na verdade, podemos otimizar o material para ter quaisquer propriedades mecânicas e comportamentos específicos que desejarmos.”
Os pesquisadores apresentaram ao mundo com uma estrutura unificada para descrever auxéticos perfeitos bidimensionais. Essa apresentação é resultado de uma maior compreensão de que entender e controlar o limite auxético perfeito poderia nos permitir projetar racionalmente auxéticos realistas com uma estrutura geométrica sob medida, para a qual o coeficiente de Poisson permanece negativo.
Ao elaborar sobre a maior importância de seu estudo, os pesquisadores disseram o seguinte:
“Nossa teoria não apenas unifica uma grande classe de auxéticos existentes, abrangendo sistemas de unidades rígidas auxéticas anteriores, mas também permite criar uma grande variedade deles, com geometrias novas e diversas, incluindo o ainda elusivo material auxético isotrópico.”
Como os pesquisadores estavam interessados em compreender o comportamento dos auxéticos perfeitos, eles usaram o modelo bidimensional mínimo para unidades rotativas. As unidades consistiam em uma série de polígonos conectados por molas de comprimento natural zero. Cada unidade rígida possuía três graus de liberdade: dois translacionais e um rotacional. Esse modelo ajudou a determinar o surgimento do modo flácido auxético e introduziu elasticidade nos materiais, de modo que cenários não ideais também pudessem ser estudados.
O resultado da investigação científica foi apresentado na forma de uma receita que ajudaria a construir auxéticos perfeitos. Ela exigiria três ingredientes:
- Uma rede bipartida permitiria que as unidades contra‑rotacionassem em relação umas às outras.
- Inicialmente e em repouso, cada par de vetores de posição de polígonos vizinhos e o vértice entre eles devem ser colineares.
- A proporção entre a distância de um polígonos a um de seus vértices e a distância de seu vizinho ao mesmo vértice deve ser constante na rede.
Os pesquisadores destacam que a singularidade de sua teoria reside no fato de que ela não está restrita a redes e pode ser aplicada diretamente a redes desordenadas. Isso permite a construção dos primeiros materiais auxéticos perfeitos isotrópicos. Os pesquisadores também apontam que sua teoria pode ser expandida para materiais poliedros 3D.
Embora esta pesquisa seja um avanço, o trabalho com materiais auxéticos vem sendo desenvolvido há bastante tempo. Nos segmentos a seguir, analisaremos empresas que têm realizado trabalhos inovadores nessa área.
#1. Nike
Uma das marcas líderes que realizou trabalhos sofisticados neste campo de estruturas auxéticas é a Nike. Patente da Nike nº US9402439B2 trata de estruturas auxéticas que facilitam a construção de solas com estruturas auxéticas.
Normalmente, o calçado compreende pelo menos dois componentes principais:
- Uma parte superior que fornece o envoltório para receber o pé do usuário
- Uma sola fixada à parte superior que funciona como contato principal com o solo ou superfície de jogo
A sola pode incluir três subsegmentos: uma entressola interna, uma entressola média e uma entressola externa. No calçado da Nike patenteado, pelo menos uma camada da sola é feita de uma estrutura auxética. Ela é referida como a camada auxética.
Correr, girar, saltar ou acelerar com esses sapatos coloca a camada auxética sob tensão longitudinal ou lateral aumentada, ampliando seu comprimento e largura. Assim, ela fornece tração aprimorada e absorve parte dos impactos da superfície de jogo.
A Nike acredita que esses sapatos podem ser benéficos para uma variedade de esportes e atividades recreativas, incluindo tênis e outros esportes de raquete, caminhada, jogging, corrida, trilhas, handebol, treinamento, corrida ou caminhada em esteira, e esportes coletivos como basquete, vôlei, lacrosse, hóquei de campo e futebol.
NKE Gráfico de preços
Para o ano fiscal completo de 2023, a Nike reportou receitas de US$51,2 bilhões, um aumento de 10% em comparação ao ano anterior e um aumento de 16% em bases neutras de moeda.
#2. Airbus
A Airbus Defence and Space recebeu uma patente sobre uma estrutura auxética deformável e seu processo de fabricação. A invenção tem como objetivo fornecer proteção leve contra impactos de alta energia em fuselagens e sistemas de aeronaves por meio de um único painel sanduíche integrado que aproveita o comportamento auxético bidimensional nas duas direções que formam a superfície do painel.
A Airbus sugere que tal proteção seria altamente benéfica em configurações de aeronaves altamente integradas com motor traseiro, incluindo arquiteturas Open‑Rotor ou de Ingestão da Camada Limite. Nessas configurações, são necessárias providências de proteção (blindagens) devido a preocupações de segurança contra impactos de alta energia na fuselagem provenientes de Liberação de Pás de Hélice (PBR) e Detritos de Motor (Falha de Rotação de Motor Não Contida, fragmentos pequenos e terceiro disco).
A estrutura apresenta um arranjo auxético composto por uma pluralidade de células auxéticas tridimensionais interconectadas e adjacentes. Esse design garante que, independentemente de o elemento de superfície ser plano, curvo ou uma composição de diferentes superfícies planas, a estrutura resultante alcançará comportamento auxético em cada um desses planos. Além disso, exibirá comportamento auxético em mais de uma dimensão perpendicular à direção principal do impacto.
Em 2023, a Airbus registrou uma receita de mais de 65 bilhões de euros, um aumento significativo em relação aos 58,8 bilhões de euros obtidos em 2022.
Criando Materiais Auxéticos: Como o Futuro Se Apresenta
A pesquisa que iniciou nossa discussão pode alcançar muitos avanços. Ela pode fornecer um modelo simples de seguir para criar, projetar e caracterizar auxéticos de unidades rotativas. Modelos que validam a teoria foram eficazes para simulações diretas de teste das propriedades dos materiais, ignorando forças de flexão. No entanto, os modelos também podiam acomodar flexão, se necessário. O trabalho levou ao estabelecimento das regras básicas para criar auxéticos perfeitos isotrópicos nunca antes vistos. Tudo o que isso exigiu foi mais pesquisa em análise dinâmica e vibracional.
Embora a pesquisa e a exploração sejam um processo interminável na ciência e tecnologia, é necessário investigar mais a viabilidade dos materiais auxéticos como reforço, especialmente para aplicações de suporte de carga. Deformações excessivas são necessárias para iniciar as vantagens derivadas da auxeticidade. Essas deformações podem exceder os limites de utilizabilidade especificados para elementos estruturais sob carregamento estático. Nesse sentido, os pesquisadores apontam para a necessidade de projetos sob medida que satisfaçam tanto requisitos de resistência quanto de rigidez.
No campo da aplicação biomédica, surge a necessidade de auxéticos 3D, que só podem ser alcançados por procedimentos de fabricação aditiva. Esses procedimentos devem ser aprimorados para garantir o desempenho a longo prazo dos dispositivos médicos. O processo avançado baseado em algoritmos para criar auxéticos pode ser útil nesses casos, já que a maioria das tecnologias aditivas produz resultados intrinsecamente anisotrópicos devido ao processo camada por camada, o que pode afetar o desempenho mecânico das soluções.
Embora esses desafios persistam, os pesquisadores estão otimistas de que algumas tendências futuras, se escaladas com sucesso, possam levar a uma adoção mais entusiasmada dos auxéticos. Essas tendências incluem criar sinergias entre impressão 4D e geometrias auxéticas, fabricação de materiais e mecanismos de memória de forma, etc.
Os auxéticos também podem encontrar uso crescente em materiais biohíbridos, onde um andame auxético colonizado por células pode levar a atuadores mais autônomos. Segundo os pesquisadores, esses materiais são capazes de superar os materiais e estruturas \”inteligentes\”, ativos ou multifuncionais atualmente disponíveis.
Um dos principais exemplos do uso de biohíbridos está na forma de micro‑robôs que possuem chassis e mecanismos auxéticos operados por células vivas. Essas soluções, especialmente os cardiomiócitos ou células musculoesqueléticas ativados por estímulo elétrico, podem ser usadas como atuadores cirúrgicos no futuro.
No conjunto, os auxéticos nos apresentam um campo minado de oportunidades. Tudo o que precisam é de mais pesquisa e recursos para escalar e fornecer soluções viáveis que durem muito tempo.
