No design de metamateriais, o lema há muito tempo é “quanto mais forte, melhor”. Metamateriais são materiais sintéticos com estruturas microscópicas que conferem ao material propriedades excepcionais. Grande foco tem sido o desenvolvimento de metamateriais mais resistentes e rígidos do que seus equivalentes convencionais. Mas há uma desvantagem: quanto mais rígido um material, menos flexível ele é.
Engenheiros do MIT descobriram uma maneira de fabricar um metamaterial que é resistente e elástico. O material base é tipicamente altamente rígido e quebradiço, mas é impresso em padrões precisos e complexos que formam uma estrutura resistente e flexível. A chave para as propriedades duplas do novo material é a combinação de estruturas microscópicas rígidas e uma arquitetura tecida mais macia. Essa “rede dupla” microscópica, impressa com um polímero semelhante ao plexiglass, produziu um material que pode se esticar até quatro vezes o seu tamanho sem se romper completamente. Em comparação, o polímero em outras formas tem pouca ou nenhuma elasticidade e se estilhaça facilmente ao se romper.
Os pesquisadores afirmam que o novo design de rede dupla pode ser aplicado a outros materiais, por exemplo, para fabricar cerâmicas, vidros e metais elásticos. Esses materiais resistentes, porém flexíveis, podem ser transformados em tecidos resistentes a rasgos, semicondutores flexíveis, encapsulamento de chips eletrônicos e estruturas duráveis, porém flexíveis, para o cultivo de células para reparo de tecidos. “Estamos abrindo um novo território para os metamateriais”, afirma Carlos Portela, Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira Robert N. Noyce no MIT. “Você poderia imprimir um metal ou cerâmica de dupla rede e obter muitos desses benefícios, pois exigiria mais energia para quebrá-los, e eles seriam significativamente mais elásticos.” Portela e seus colegas publicaram suas descobertas hoje na revista Nature Materials . Seus coautores do MIT incluem o primeiro autor, James Utama Surjadi, além de Bastien Aymon e Molly Carton.
Gel inspirado
Juntamente com outros grupos de pesquisa, Portela e seus colegas têm projetado metamateriais imprimindo ou nanofabricando redes microscópicas usando polímeros convencionais semelhantes a plexiglass e cerâmica. O padrão específico, ou arquitetura, que eles imprimem pode conferir resistência excepcional e resistência ao impacto ao metamaterial resultante. Vários anos atrás, Portela estava curioso para saber se um metamaterial poderia ser feito de um material inerentemente rígido, mas ser modelado de uma forma que o transformasse em uma versão muito mais macia e elástica.
“Percebemos que o campo dos metamateriais não tentou realmente causar impacto no âmbito da matéria mole”, diz ele. “Até agora, todos nós buscamos os materiais mais rígidos e resistentes possíveis.” Em vez disso, ele buscou uma maneira de sintetizar metamateriais mais macios e elásticos. Em vez de imprimir suportes e treliças microscópicos, semelhantes aos dos metamateriais convencionais baseados em treliças, ele e sua equipe criaram uma arquitetura de molas entrelaçadas, ou espirais. Descobriram que, embora o material utilizado fosse rígido como plexiglass, o metamaterial tecido resultante era macio e elástico, como borracha.
“Eles eram elásticos, mas muito macios e flexíveis”, lembra Portela. Buscando maneiras de aumentar a massa de seu metamaterial mais macio, a equipe encontrou inspiração em um material totalmente diferente: o hidrogel. Hidrogéis são materiais macios, elásticos, semelhantes à gelatina, compostos principalmente de água e um pouco de estrutura polimérica. Pesquisadores, incluindo grupos do MIT, desenvolveram maneiras de fabricar hidrogéis que sejam macios e elásticos, além de resistentes. Eles fazem isso combinando redes poliméricas com propriedades muito diferentes, como uma rede de moléculas naturalmente rígidas, que se reticula quimicamente com outra rede molecular inerentemente macia. Portela e seus colegas se perguntaram se esse projeto de rede dupla poderia ser adaptado a metamateriais. “Esse foi o nosso momento de revelação”, diz Portela. “Pensamos: será que podemos nos inspirar nesses hidrogéis para criar um metamaterial com propriedades rígidas e elásticas semelhantes?”
Entrelaçar e tecer
Para o novo estudo, a equipe fabricou um metamaterial combinando duas arquiteturas microscópicas. A primeira é uma estrutura rígida, em forma de grade, composta por escoras e treliças. A segunda é um padrão de espirais que se entrelaçam em torno de cada escora e treliça. Ambas as redes são feitas do mesmo plástico acrílico e impressas de uma só vez, utilizando uma técnica de impressão a laser de alta precisão chamada litografia de dois fótons.
Os pesquisadores imprimiram amostras do novo metamaterial inspirado na rede dupla, cada uma medindo de vários micrômetros quadrados a vários milímetros quadrados. Eles submeteram o material a uma série de testes de estresse, nos quais fixaram cada extremidade da amostra a uma prensa nanomecânica especializada e mediram a força necessária para separar o material. Eles também gravaram vídeos de alta resolução para observar os locais e as maneiras pelas quais o material se esticou e se rompeu ao ser separado.
Eles descobriram que seu novo design de rede dupla era capaz de esticar três vezes seu próprio comprimento, o que também era 10 vezes mais em comparação com um metamaterial convencional com padrão de treliça impresso com o mesmo plástico acrílico. Portela afirma que a resistência elástica do novo material advém das interações entre as estruturas rígidas do material e a trama mais desordenada e enrolada, à medida que o material é tensionado e puxado.
“Pense nessa rede tecida como um emaranhado de espaguete emaranhado em uma treliça. À medida que quebramos a rede treliçada monolítica, essas partes quebradas também acompanham, e agora todo esse espaguete se emaranha nas peças da treliça”, explica Portela. “Isso promove mais emaranhamento entre as fibras tecidas, o que significa mais atrito e mais dissipação de energia.”
Em outras palavras, a estrutura mais macia, enrolada ao longo da estrutura rígida do material, sofre mais estresse devido aos múltiplos nós ou emaranhados promovidos pelas estruturas rachadas. Como esse estresse se espalha de forma desigual pelo material, é improvável que uma rachadura inicial o atravesse diretamente e o rasgue rapidamente. Além disso, a equipe descobriu que, se introduzissem furos estratégicos, ou “defeitos”, no metamaterial, poderiam dissipar ainda mais qualquer estresse sofrido pelo material, tornando-o ainda mais elástico e resistente à ruptura.
“Você pode pensar que isso piora o material”, diz Surjadi, coautor do estudo. “Mas vimos que, quando começamos a adicionar defeitos, dobramos a quantidade de alongamento que conseguíamos fazer e triplicamos a quantidade de energia dissipada. Isso nos dá um material rígido e resistente, o que geralmente é uma contradição.” A equipe desenvolveu uma estrutura computacional que pode ajudar engenheiros a estimar o desempenho de um metamaterial, considerando o padrão de suas redes rígidas e elásticas. Eles preveem que esse modelo será útil no projeto de tecidos e têxteis resistentes a rasgos.
“Também queremos testar essa abordagem em materiais mais frágeis, para lhes conferir multifuncionalidade”, diz Portela. “Até agora, falamos de propriedades mecânicas, mas e se também pudéssemos torná-los condutivos, ou seja, responsivos à temperatura? Para isso, as duas redes poderiam ser feitas de polímeros diferentes, que respondem à temperatura de maneiras diferentes, de modo que um tecido possa abrir seus poros ou se tornar mais flexível quando está quente e possa ser mais rígido quando está frio. Isso é algo que podemos explorar agora.”
