Da Aeroespacial à HealthTech – LCEs são tão Versáteis quanto Intrigantes

Vamos começar abordando o núcleo primeiro! O que são LCEs? Bem, LCEs significam Elastômeros Cristalinos Líquidos – redes poliméricas reticuladas que combinam as propriedades elásticas da borracha com as propriedades anisotrópicas dos cristais líquidos. O principal fator que impulsiona sua singularidade é que a multifuncionalidade e a responsividade podem ser programadas nos LCEs ao padronizar sua orientação local.

É uma qualidade rara – difícil de alcançar em outros sistemas de materiais monolíticos. E, como aponta um artigo de revisão da revista Nature de 2021, os avanços na síntese e alinhamento dos LCEs tornaram possível integrá-los funcionalmente em diversos campos, incluindo robótica, óptica, produtos de consumo, energia e saúde. 

Hoje, aprofundamos essa versatilidade dos LCEs para ver como eles estão comprovando seu valor em uma variedade de áreas, da Aeroespacial à HealthTech. 

Abordagem de Impressão 3D para Materiais que Mudam de Forma Usando Estruturas de LCE

Uma equipe de pesquisadores da Oregon State University ajudou a desenvolver uma nova abordagem de impressão 3D para materiais que mudam de forma. Na prática, esses materiais que mudam de forma poderiam ajudar a melhorar aplicações robóticas ajudando-as a adquirir uma qualidade semelhante a um robô. 

Ao explicar a característica dos LCEs neste contexto, Devin Roach, da Faculdade de Engenharia da OSU, disse:

“LCEs são motores macios. Como são macios, ao contrário dos motores convencionais, funcionam muito bem com nossos corpos inerentemente macios. Portanto, podem ser usados como dispositivos médicos implantáveis, por exemplo, para entregar fármacos em locais específicos, como stents para procedimentos em áreas-alvo, ou como implantes uretrais que ajudam no controle de incontinência.”

Mais especificamente, a pesquisa, publicada na revista Advanced Materials, detalha a preparação de LCEs por técnicas de manufatura aditiva (AM), predominantemente usando impressão por escrita direta de tinta. Os pesquisadores documentaram a preparação de LCEs de cadeia principal alinhados via impressão 3D DLP usando um campo magnético de 100 mT.

Exame sistemático isolou a contribuição da intensidade do campo magnético, do tempo de alinhamento e da espessura da camada de construção no grau de orientação nos LCEs impressos em 3D. Os pesquisadores concluíram que a impressão DLP de LCEs alinhados poderia abrir novas oportunidades para fabricar materiais responsivos a estímulos em formatos otimizados para uso funcional em robótica macia e absorção de energia.

Embora tudo isso possa soar como jargão e cheio de implicações de alta tecnologia, entender os LCEs pode ser muito mais fácil se observarmos suas aplicações na vida real. Essencialmente, os LCEs podem mudar suas formas em resposta à exposição a certos estímulos, como calor. Aproveitando essa propriedade, os LCEs podem ser usados para converter energia térmica em energia mecânica de modo que possa ser armazenada e utilizada sob demanda. 

A flexibilidade semelhante à muscular que os LCEs nos proporcionam pode nos ajudar a avançar significativamente na área de robótica macia. Esses robôs flexíveis poderiam entrar em áreas que são inseguras ou inadequadas para humanos. Segundo Devin Roach:

“Eles também demonstraram potencial na aeroespacial como atuadores para sistemas automatizados, como aqueles para captura no espaço profundo, implantação de radar ou exploração extraterrestre.”

DLP, a conquista central desta pesquisa, que foi realizada por Roach e colaboradores da Harvard University, da University of Colorado e dos laboratórios nacionais Sandia e Lawrence Livermore, mostrou-nos uma maneira de alinhar as moléculas usando um campo magnético durante um tipo de impressão 3D chamado processamento de luz digital. Foi crucial aproveitar ao máximo os LCEs porque as propriedades de mudança de forma dos elastômeros cristalinos líquidos dependiam do alinhamento das moléculas dentro dos materiais. O Processamento de Luz Digital utiliza luz para solidificar resina líquida em formas sólidas com precisão.

Ao destacar as conquistas do estudo, Roach disse que alinhar as moléculas pode ser a chave para desbloquear todo o potencial dos LCEs e permitir seu uso em ‘aplicações avançadas e funcionais.’ Roach ainda afirmou que seu trabalho abriu ‘novas possibilidades para criar materiais avançados que respondem a estímulos de maneira útil, potencialmente levando a inovações em múltiplos campos.’

Roach e seus colegas colaboradores estudaram uma variedade de parâmetros. Eles variaram a intensidade do campo magnético e analisaram como isso poderia impactar o alinhamento molecular junto com outros fatores, como a espessura da camada impressa. Os pesquisadores puderam imprimir formas complicadas de elastômeros cristalinos líquidos que mudam de maneira específica quando aquecidas.

Roach também liderou outra equipe de pesquisadores para investigar ainda mais o potencial de amortecimento mecânico dos LCEs. A pesquisa e suas descobertas podem ser úteis no desenvolvimento de amortecedores automáticos de classe mundial, amortecedores sísmicos e amortecedores de vibração em pontes. 

Embora a pesquisa e suas descobertas possam ajudar os LCEs a se tornarem instrumentais em muitas áreas, a pesquisa sobre estruturas de Elastômeros Cristalinos Líquidos tem continuado há bastante tempo. Nos próximos segmentos, discutiremos alguns desses estudos e como eles podem impactar inovações tecnológicas ao nosso redor.

LCE e Impressão 4D

Em junho de 2022, um artigo de pesquisa publicado na revista Materials Horizons mostrou que, ao padronizar a ordem nas estruturas, os LCEs demonstram atuação reversível de alta velocidade e grande escala em resposta a estímulos externos, permitindo integração estreita com impressão 4D e arquiteturas de dispositivos digitais, o que raramente é observado em redes poliméricas macias homogêneas.

Os pesquisadores reuniram informações sobre os avanços recentes na impressão 4D de LCEs, com ênfase em métodos de síntese e processamento que permitiram mudanças microscópicas na orientação molecular e, consequentemente, trouxeram mudanças macroscópicas nas propriedades dos objetos de uso final. A pesquisa inferiu que a combinação LCE‑4D printing poderia ser útil nos campos de robótica macia, óptica e dispositivos biomédicos.

Desempenho dos LCEs na Resposta de Células Biológicas

Outra pesquisa, publicada na revista ACS Applied Polymer Materials em janeiro de 2023, analisou as estruturas e métodos de síntese dos LCEs, bem como sua biologia material com ênfase nas características bioquímicas e biomecânicas das células de uma perspectiva molecular. A pesquisa, de forma bastante crucial, investigou fatores como o comportamento quase cristalino líquido das células, o grau de ordem orientacional em diferentes células e os sinais topográficos induzidos por cristais líquidos como agentes de crescimento que potencializam as células. 

Além de pesquisas como essa por acadêmicos da área, laboratórios de pesquisa renomados ao redor do mundo também demonstraram interesse nos LCEs e sua evolução. Discutiremos alguns desses laboratórios nas seções seguintes e tentaremos entender por que consideram os LCEs essenciais. 

Avaliação de LCE pelo Laboratório Nguyen: Johns Hopkins Whiting School of Engineering

O laboratório acredita que as propriedades viscoelásticas dos LCEs podem ser exploradas para projetar materiais e estruturas transformadoras com comportamento de dissipação extremo. O laboratório realizou um estudo para desenvolver uma compreensão fundamental dos mecanismos de relaxamento dos LCEs de cadeia principal, a fim de possibilitar o design de comportamentos de dissipação extraordinários de materiais e estruturas LCE em múltiplas escalas de comprimento.

Os pesquisadores hipotetizaram que o aprimorado comportamento de dissipação dos LCEs surge do acoplamento da dinâmica de relaxamento dos mesógenos e da rede polimérica e depende da ordem dos mesógenos e do alinhamento da cadeia. Segundo o laboratório, o comportamento intrínseco de dissipação poderia ser explorado em um design arquitetado para produzir estruturas com amortecimento extremo e absorção de energia. 

Trabalho do Laboratório Aizenberg da Universidade de Harvard sobre LCEs

A visão do laboratório era observar os LCEs como materiais adaptativos com programabilidade em escala molecular que poderiam gerar oportunidades para o design racional de materiais responsivos de próxima geração e potencialmente transformar áreas que vão desde músculos artificiais até superfícies autolimpantes e sistemas homeostáticos.

O laboratório considerou os LCEs materiais promissores para alcançar a programabilidade e capacidades de deformação desejadas, pois consistem em moléculas anisotrópicas conhecidas como mesógenos, covalentemente ligadas a um material de fundo polimérico (o elastômero).

Embora existam várias abordagens para prescrever o alinhamento dos mesógenos, o grupo Aizenberg tipicamente emprega campos magnéticos para impor o diretor do cristal líquido. Esse método pode ser aplicado e programado dentro de qualquer forma 3D, permitindo aos pesquisadores codificar modos de deformação macroscópicos ao nível molecular. 

O grupo Aizenberg, ativo como um laboratório de biomineralização e biomimética sob a bandeira da Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, utilizou LCEs alinhados magneticamente para criar uma variedade de microestruturas multirresponsivas, como micro-posts, microplacas, estruturas celulares interconectadas e arranjos de espaçamento próximo.

O grupo está ansioso para avançar sua pesquisa a fim de expandir nossa compreensão fundamental de sistemas autorregulados, bem como expandir esses designs para aplicações como atuadores multimodais autônomos em adesivos comutáveis, criptografia de informação, antenas autônomas, sistemas de captação de energia, robôs macios e edifícios inteligentes.

Embora pesquisas individuais e trabalhos de laboratório sobre LCEs estejam em pleno andamento, algumas empresas podem se beneficiar disso. Agora veremos algumas dessas empresas.

Clique aqui para uma lista das principais ações de manufatura aditiva e impressão 3D.

1. 3D Systems Corp 

A empresa que aparece no topo da lista quando pensamos em aproveitar a pesquisa sobre LCEs em escala comercial é 3D Systems Corp (DDD ) . Ela cobre todo o espectro da indústria de impressão 3D, desde impressoras 3D, materiais e software. Possui a gama mais abrangente de impressoras 3D comerciais da indústria, permitindo que empresas imprimam peças de plástico ou metal no ponto de necessidade em uma fração do tempo comparado aos processos de fabricação tradicionais.

O extenso e versátil portfólio de materiais de impressão 3D da empresa inclui plástico, elastômero, compósito, cera, metal, biocompatível e mais. Além disso, agrega valor a todo o sistema por meio de seu software impulsionado por IA, que é adaptado para precisão na manufatura aditiva e é ideal para aplicações industriais e de saúde.

A empresa atende à mais ampla gama possível de clientes em indústrias como aeroespacial e defesa, automotiva, bioprinting, captura de carbono, tecnologia de consumo e muitas outras. 

A empresa possui um conjunto de produtos na categoria de elastômeros, incluindo o DulaForm TPU Elastomer, que é um material elastômero termoplástico com flexibilidade e funcionalidade semelhantes à borracha. Pode ser usado para produção de baixo a médio volume de bens de consumo, fabricação de peças flexíveis para aplicações industriais, criação de protótipos funcionais de mangueiras e vedações, e prototipagem e produção de componentes de calçados. 

O material VisiJet® CE-NT da 3D System Corp oferece desempenho de material elastomérico de primeira linha para prototipagem funcional, atendendo a uma variedade de aplicações de engenharia e design. Possui excelentes propriedades de tração, e sua cor natural translúcida ajuda a criar modelos realistas da anatomia humana para aplicações de modelagem médica.

A 3D Systems Corporation anunciou seus resultados financeiros para o terceiro trimestre encerrado em 30 de setembro de 2024, em 26 de novembro de 2024. Embora sua receita de US$ 112,9 milhões tenha registrado uma queda de 9% em relação ao ano anterior, o interesse dos clientes em aplicações de impressão 3D continuou a ganhar impulso, com as receitas do Application Innovation Group (AIG) crescendo mais de 26% no ano até a data, em comparação com o ano anterior, nos mercados industriais.

2. Teradyne, Inc.

A Teradyne, Inc. (TER ) fabrica equipamentos que testam semicondutores, dispositivos sem fio e outros eletrônicos complexos. Suas ferramentas são usadas em indústrias como automotiva, aeroespacial, defesa e eletrônicos de consumo. Eles são um grande player no mundo de testes automatizados e automação industrial.

No terceiro trimestre de 2024, a empresa reportou US$ 737 milhões em receita. A maior parte—US$ 543 milhões—proveniou de Semiconductor Test, com Robotics adicionando US$ 89 milhões. Contribuições menores vieram de System Test e Wireless Test, com US$ 73 milhões e US$ 33 milhões, respectivamente.

Os Elastômeros Cristalinos Líquidos (LCEs) podem desempenhar um papel importante no futuro da Teradyne, especialmente em robótica. Os LCEs são especiais porque podem mudar de forma quando expostos ao calor ou à luz. Isso os torna ideais para robótica macia, que necessita de flexibilidade e precisão. Se a Teradyne integrar LCEs em seus robôs, isso pode torná-los mais adaptáveis para indústrias que exigem automação avançada.

3. Zebra Technologies Corporation

A Zebra Technologies Corporation (ZBRA ) se destaca em inteligência de ativos empresariais, com seus computadores móveis, scanners de código de barras, leitores RFID e impressoras especiais, usados em indústrias como varejo, saúde, manufatura e logística.

No terceiro trimestre de 2024, a Zebra reportou receita de US$ 1,26 bilhão, um aumento de 31% em relação ao ano anterior. O lucro por ação ajustado foi de US$ 3,49, superando as expectativas e mostrando forte crescimento.

Os Elastômeros Cristalinos Líquidos podem ser uma adição interessante ao portfólio da Zebra, pois esses materiais mudam de forma quando expostos ao calor ou à luz, tornando-os ideais para uso em robótica macia ou outros sistemas adaptativos. Se a Zebra explorar essa tecnologia, isso pode melhorar a adaptabilidade de suas soluções — algo que indústrias que requerem automação flexível podem considerar valioso. Os LCEs podem permitir que os sistemas da Zebra operem em ambientes mais complexos ou realizem tarefas que materiais tradicionais não conseguem.

O futuro dos LCEs

Os LCEs são materiais únicos no sentido de que combinam o comportamento anisotrópico dos cristais líquidos com a elasticidade de borracha de polímeros levemente reticulados. Materiais de memória de forma tradicionais não são tão eficazes quanto os LCEs na construção de atuadores macios. Os LCEs possuem propriedades mecânicas extraordinárias, boa flexibilidade, comportamento anisotrópico e respostas de forma reversíveis. 

No entanto, a pesquisa sobre LCEs precisa abordar várias lacunas para realizar todo o seu potencial. Pesquisadores descobriram que, para materiais macios, como os LCEs, frequentemente existe uma relação de compromisso entre as características de “alta tensão de atuação” e “grande deformação de atuação”, ambas fatores‑chave que determinam seu desempenho atuador. 

Os pesquisadores também identificaram que, como a maioria dos LCEs é termotrópica, é difícil alcançar respostas a múltiplos estímulos e controle remoto, como atuadores acionados por luz. A maior parte da pesquisa em andamento no campo foca em incorporar diversos nano‑preenchimentos funcionais (nanomateriais fototérmicos, eletrotérmicos, etc.) nas matrizes de LCE para resolver esses problemas.

No entanto, há dúvidas entre os pesquisadores de que a baixa dispersibilidade dos preenchimentos funcionais na matriz de LCE e a fraca interação preenchimento‑matriz podem resultar em separação de fases nos compósitos, resultando em desempenho atenuado dos atuadores resultantes. 

Embora nossa pesquisa atual seja um passo bem‑intencionado nessa direção, há dúvidas sobre a compreensão básica da relação entre o arranjo molecular e a propriedade de atuação dos LCEs. Os pesquisadores veem isso como um desafio para controlar com precisão a deformação ou o movimento dos LCEs.

As novas tecnologias de impressão 3D e 4D que foram desenvolvidas para processar LCEs em arquiteturas sofisticadas ainda visam a construção de equipamentos personalizados, sem uma boa solução para produção em massa até o momento.

Entretanto, do lado positivo, o interesse pelos LCEs no mundo da ciência e tecnologia é visível. Há uma crescente implantação de LCEs na construção de dispositivos inteligentes.

Com o crescente interesse em novos tipos de materiais LCE, tecnologias avançadas de micro/nanofabricação 3D, esquemas de ação inovadores e estratégias sofisticadas de manipulação, os atuadores baseados em LCE podem alcançar avanços rápidos e encontrar aplicações de ponta em breve.

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