Da Aeronáutica às Aplicações Domésticas, Medidores Auxéticos Avançados Prontos para Uso Generalizado

Materiais auxéticos diferem dos materiais clássicos porque apresentam coeficiente de Poisson negativo. Em outras palavras, sob a força de tração aplicada na direção longitudinal, os auxéticos se expandem na direção transversal perpendicular. 

Cientistas continuam buscando propriedades auxéticas em materiais. Recentemente, Noah Stocek, um estudante de doutorado que colabora com Físico da Western Giovanni Fanchini, desenvolveu um nanomaterial desse tipo. 

Nanofolhas Auxéticas Bidimensionais

Ambos os cientistas trabalharam no Interface Science Western para desenvolver nanofolhas 2-D de semi‑carbeto de tungstênio, também conhecido como W2C. Estes são compostos químicos contendo partes iguais de átomos de tungstênio e carbono. De acordo com as propriedades dos materiais auxéticos, esses nanomateriais se expandem perpendicularmente à força aplicada quando esticados em uma direção. 

O desenvolvimento é significativo porque é apenas o segundo material a expandir‑se substancialmente de forma oposta aos materiais clássicos. Antes disso, havia apenas um material relatado que podia expandir‑se em 10 % por unidade de comprimento de maneira contraintuitiva. O presente nanomaterial, a nanofolha de semi‑carbeto de tungstênio, pode expandir‑se em 40 %. É um novo recorde mundial. Ao explicar a conquista desse desenvolvimento, Stoeck disse: 

“Em 2018, teóricos previram que poderia exibir esse comportamento em um nível excelente, mas ninguém conseguiu desenvolvê‑lo, apesar de extensas tentativas de grupos de pesquisa ao redor do mundo.”

Para explicar em mais detalhes o que Stoeck e Fanchini desenvolveram, eles relataram científica e experimentalmente um sistema de deposição por plasma remoto de zona dupla projetado ad hoc que poderia crescer carbetos de tungstênio fora do equilíbrio termodinâmico com proporções bem ajustadas de precursores de W e C. A pesquisa destacou as condições específicas sob as quais esse sistema permitiu a síntese de flocos de semi‑carbeto de tungstênio de poucas camadas (FL‑W2C). Esses flocos eram bidimensionais por natureza, pois podiam manter sua periodicidade em nível mesoscópico em um processo de crescimento Stranski–Krastanov.

Uma Mudança Inovadora dos Métodos Químicos para a Física de Plasma

A dupla de desenvolvedores identificou, em uma fase muito inicial de seu processo, que era impossível construir um novo nanomaterial de semi‑carbeto de tungstênio usando métodos químicos. Como resultado, eles migraram para a física de plasma, com o objetivo de formar camadas de átomos individuais. 

Para realizar o desenvolvimento do nanomaterial aproveitando os métodos de plasma, a dupla se afastou da rota convencional de utilizar fornos especiais onde gases poderiam ser aquecidos a alta temperatura para reagir quimicamente e formar a substância. Eles projetaram um novo sistema de instrumentos personalizado para produzir plasma, que contém partículas eletricamente carregadas. 

Aplicações do Nanomaterial Recentemente Desenvolvido

Uma das aplicações potenciais mais úteis dessas nanofolhas poderia ser um tipo radicalmente novo de medidor de deformação. Esses medidores poderiam medir a expansão de forma muito eficaz e se estender em tudo, desde as asas de aviões até a tubulação doméstica.

Como esses materiais são mais condutores eletricamente, podem ser usados em sensores ou dispositivos para detectar mudanças e variações no ambiente. Não apenas podem detectar essas mudanças, mas, graças às suas capacidades de ‘sensor’, também podem enviar informações para outros eletrônicos. 

Ao explicar uma das possíveis aplicações, Stoeck disse:

“Imagine que você queira saber se um cano em sua casa está deformando e corre o risco de romper em algum momento. Você pode fixar um sensor no cano feito desse nanomaterial bidimensional e então usar um computador para monitorar a corrente que passa por ele. Se a corrente aumentar, isso significa que o cano está se expandindo e corre risco de romper.” 

No futuro, mais desenvolvimento das propriedades auxéticas de um material certamente levará a novas soluções. Por enquanto, empresas como a Michigan Scientific Corporation e a Omega estão profundamente envolvidas na fabricação e desenvolvimento de medidores de deformação. Essas empresas podem começar a aproveitar esse desenvolvimento e o nanomaterial produzido como resultado para avançar seu portfólio de produtos/soluções. 

#1. Omega

Omega, uma marca DwyerOmega, pode aproveitar o nanomaterial para ampliar ainda mais sua linha robusta e diversificada de medidores de deformação. Seus medidores de deformação de diafragma podem medir deformação e tensão em uma variedade de aplicações, incluindo pressão, força, deslocamento e deformação em metais, plásticos e compósitos. A linha de medidores de deformação paralela dupla ajuda a medir de forma confiável o estresse de flexão em diversas aplicações. 

Omega também possui medidores de torção e cisalhamento, medidores de deformação lineares, medidores de roseta em T e medidores de roseta. Com tolerâncias apertadas para alinhamento mais fácil, os medidores da Omega oferecem desempenho confiável e estabilidade a longo prazo. Seus medidores de ponte completa e ponte meia demonstram excelente linearidade e compatibilidade com uma ampla faixa de temperatura. 

Seus medidores de roseta em T podem medir os efeitos de temperatura, carga e vibração nos componentes. Eles são particularmente úteis na medição de tensões biaxiais com direções principais conhecidas.

A empresa está perfeitamente posicionada para desenvolver uma nova linha de produtos baseada em medidores auxéticos ou expandir sua linha existente com propriedades auxéticas. 

DwyerOmega surgiu como uma marca após a Dwyer Instruments, Inc. concordar em adquirir a OMEGA Engineering, Inc. da Spectris plc (LSE:SXS) por aproximadamente US$530 milhões em 19 de abril de 2022. A Dwyer pagou US$525 milhões a uma avaliação de aproximadamente 20,4 vezes o EBITDA ajustado da Omega de 2021. No exercício financeiro de 2021, a Omega gerou vendas de £129 milhões (US$168 milhões) e EBITDA ajustado de £19,7 milhões (US$25,7 milhões).

#2. Michigan Scientific Corporation

Michigan Scientific Corporation, uma empresa privada com sede em Charlevoix, Michigan, Estados Unidos, é conhecida por oferecer uma variedade de serviços de engenharia, produtos e soluções. Uma área onde essa empresa poderia aproveitar brilhantemente esse desenvolvimento são seus serviços de medidores de deformação. 

A empresa é especialista em projetar e criar transdutores de medidores de deformação personalizados, que podem ser usados em diversos casos, incluindo a medição de forças de suspensão de veículos, torques de trem de força, forças de componentes de direção, cargas de motor e motor, e torques de frenagem em veículos de campo. 

As soluções da Michigan incluem transdutores de torque de eixo, transdutores de virabrequim, transdutores de pino de cisalhamento e produtos para medição de deformação de semi‑eixo, medição de deformação de eixo de transmissão, medição de força axial e mais. 

As aplicações de instrumentação dessas soluções incluem instrumentação de placas de circuito para monitoramento de tensão, painéis de portas de câmaras térmicas monitorados para deformação durante a fabricação e eixos de transmissão de tamanho industrial totalmente instrumentados. Essas soluções também coletam e analisam dados obtidos dos projetos em que são implantadas. 

Já vimos que as capacidades de ‘sensor’ dos medidores de deformação recém‑desenvolvidos aumentam seu valor. Isso seria um acréscimo de valor para a Morgan Scientific Corporation também, que atua na instalação de medidores de deformação no local nas instalações dos clientes para instrumentar os componentes do cliente e registrar dados que apoiam uma variedade de atividades de teste e desenvolvimento. 

Outros Avanços Recentes Significativos em Auxéticos

Auxéticos na Construção Civil

De acordo com relatórios publicados no International Journal of Protective Structures, os materiais auxéticos estão encontrando uso crescente em áreas relacionadas à engenharia civil. Eles podem ser combinados com material cimentício em diversas formas, incluindo compósito de espuma‑cimento, compósito de tecido‑cimento e compósito de cimento reforçado com fibras. 

Camadas de espuma auxética, por exemplo, mostram‑se úteis na reabilitação de paredes de alvenaria frágeis sob compressão. Elas aumentam significativamente o efeito de endurecimento de deformação pós‑fluência no compósito cimentício.

Tecidos auxéticos oferecem maior rigidez ao cisalhamento e notável tenacidade à fratura. Como resultado, esses compósitos são úteis para superar os desafios impostos pela baixa resistência à compressão do Mortar de Espuma Auxética (AFM), que possui estrutura porosa e baixa densidade.

O compósito de cimento reforçado com fibras auxéticas resolve muitas das desvantagens dos materiais cimentícios convencionais, incluindo baixa ductilidade, resistência à tração insuficiente, e baixa tenacidade à fratura.

Auxéticos em Fibra

Fibras auxéticas podem ser usadas em diversas áreas, incluindo materiais compósitos, vestuário de proteção pessoal, estofamento, cordas, cabos, redes de pesca e muito mais. As propriedades que as fibras auxéticas conferem a essas áreas de aplicação incluem resistência à extração de fibra, tenacidade à fratura da fibra, absorção de energia, densificação e resistência à indentação, resistência ao impacto e mais.

Auxéticos em Biomédico 

Auxéticos podem contribuir significativamente para os subsegmentos biomédicos de próteses, implantes cirúrgicos, âncoras de sutura/músculo/ligamento e até dilatadores que ajudam a abrir vasos sanguíneos durante cirurgias cardíacas. 

Auxéticos na Melhoria da Qualidade dos Piezoelétricos

Eletrodos podem ser construídos com metais auxéticos. Esses eletrodos podem funcionar ao sanduíchar um polímero piezoelétrico ou ao incorporar hastes cerâmicas piezoelétricas em uma matriz de polímero auxético. Eles têm capacidade de aprimoramento significativo para o desempenho piezoelétrico e podem aumentar a sensibilidade do dispositivo em pelo menos um fator de dois e até um múltiplo de até cem.

Uso de Auxético em Filtros

Limpar filtros entupidos é viável usando espuma auxética e filtros em colmeia. Especificamente, as inclusões auxéticas ajudam a ajustar os poros do filtro a um tamanho e forma eficazes. Elas também compensam os efeitos do acúmulo de pressão em um filtro entupido. Um filtro auxético pode abrir os poros em ambas as direções — ao longo e transversalmente à direção da carga de tração.

Projetando Materiais Auxéticos Sob Demanda

Como os segmentos acima demonstram, o uso de auxéticos avançados está se expandindo rapidamente e se espalhando diariamente para novas áreas de aplicação. Para atender a essa demanda, pesquisadores já conduziram estudos valiosos sobre o design de materiais auxéticos sob demanda. 

Em 2022,  uma receita de três etapas para projetar materiais auxéticos sob demanda foi publicada, onde os pesquisadores estabeleceram uma estrutura unificada para descrever auxéticos perfeitos bidimensionais com uso potencial no design de novos materiais. 

A pesquisa baseou‑se fortemente na conexão natural entre unidades rígidas rotativas e sistemas de spin antiferromagnéticos. Os pesquisadores também detalharam as condições que facilitam o surgimento de um modo flexível não trivial que causa o comportamento auxético. 

A pesquisa apontou para três projetos de novos auxéticos: um cristal exótico, um quasicristal de Penrose e um tão desejado auxético isotrópico. A pesquisa alegou que a auxeticidade desses projetos poderia permanecer robusta sob pequenas perturbações estruturais, validada por experimentos e simulações numéricas. 

A teoria da pesquisa representou cada projeto por um modelo mínimo. Esses modelos foram baseados em polígonos e molas que podiam capturar a resposta coletiva essencial desses modelos a cargas externas. 

Os pesquisadores esperavam que esses modelos pudessem ser simulados diretamente para testar as propriedades dos materiais, ignorando forças de flexão. Outra conquista significativa dos resultados da pesquisa foi sua capacidade de generalizar o comportamento de paredes de domínio auxético e texturas naturais que esses sistemas possuem devido à sua analogia com sistemas magnéticos. 

Finalmente, os envolvidos na pesquisa afirmaram que ela era inovadora ao estabelecer as regras básicas para criar auxéticos isotrópicos perfeitos nunca antes vistos. Eles também esperavam que a pesquisa pudesse encontrar aplicação na produção de materiais poliedrais 3D. 

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O Caminho à Frente para Auxéticos Avançados

Agora está comprovado, sem dúvidas, que as estruturas auxéticas passaram da fase de um único design para soluções personalizadas que podem atender a uma variedade de funções. Sua evolução apresentou padrões elementares 2D variantes, estruturas híbridas e aprimoramentos dimensionais inovadores orientados ao desempenho. A evolução também testemunhou uma expansão na lista de materiais que podem ter recursos auxéticos incorporados. A lista de materiais compatíveis agora inclui polímeros, cerâmicas, metais, biomateriais, cimento, têxteis e compostos cimentícios.

Modelos estruturais diversificados e modelos de fabricação generalizados — ambos sofreram melhorias, resultando no comportamento auxético de materiais com alta rigidez. Pesquisadores e tecnólogos também estão investigando as propriedades de redistribuição de tensão dos materiais auxéticos. 

No entanto, para que os auxéticos se tornem mais avançados, alguns desafios precisam ser superados. Por exemplo, o desempenho sob impacto de alta velocidade e os mecanismos de deformação e falha requerem maior escrutínio. Mais trabalho é necessário na implementação da resistência ao impacto. Atenção adequada a esses aspectos poderia tornar os auxéticos uma característica científica e tecnológica de imenso valor no cotidiano. 

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