Notícia

Pesquisa se inspira em cupins para propor estruturas para novos materiais

Gavinevans via Wikimedia Commons

Fonte

Caltech | Instituto de Tecnologia da Califórnia

Data

quarta-feira, 31 agosto 2022 06:50

Áreas

Ciência de Dados. Ciência de Materiais. Impressão 3D. Simulação Computacional.

Inspirados na maneira como os cupins constroem seus ninhos, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) desenvolveram uma estrutura para projetar novos materiais que imitam as regras fundamentais ocultas nos padrões de crescimento da natureza. Os pesquisadores mostraram que, usando essas regras, é possível criar materiais projetados com propriedades programáveis ​​específicas.

A pesquisa, liderada pela Dra. Chiara Daraio, professora de Engenharia Mecânica e Física Aplicada do Caltech e pesquisadora do Heritage Medical Research Institute, foi publicada na revista Science.

“Os cupins têm apenas alguns milímetros de comprimento, mas seus ninhos podem chegar a 4 metros de altura”, disse a pesquisadora. Se você espiar dentro de um ninho de cupins, verá uma rede de estruturas assimétricas e interconectadas, como o interior de um pão ou uma esponja. Feita de grãos de areia, poeira, sujeira, saliva e esterco, essa estrutura irregular e desordenada parece arbitrária, mas um ninho de cupins é especificamente otimizado para estabilidade e ventilação.

“Pensamos que, entendendo como um cupim contribui para a fabricação do ninho, poderíamos definir regras simples para projetar materiais arquitetados com propriedades mecânicas únicas”, disse a Dra. Chiara Daraio. Os materiais arquitetados são sólidos semelhantes a espumas ou compostos que compõem os blocos de construção que são então organizados em estruturas 3D, da escala nano à micrométrica. Até este ponto, o campo de materiais arquitetados se concentrou principalmente em arquiteturas periódicas – tais arquiteturas contêm uma célula unitária de geometria uniforme, como um octaedro ou cubo, e então essas células unitárias são repetidas para formar uma estrutura de treliça. No entanto, o foco em estruturas ordenadas limitou as funcionalidades e o uso de materiais arquitetados.

“Arquiteturas periódicas são convenientes para nós engenheiros porque podemos fazer suposições na análise de suas propriedades. No entanto, se pensarmos nas aplicações, elas não são necessariamente a escolha ideal de design”, disse a professora. Estruturas desordenadas, como a de um ninho de cupins, são mais prevalentes na natureza do que estruturas periódicas e muitas vezes apresentam funcionalidades superiores, mas, até agora, os engenheiros não haviam descoberto uma maneira confiável de projetá-las.

“A forma como abordamos o problema pela primeira vez foi pensando no número limitado de recursos de um cupim”, disse a Dra. Chiara Daraio. Quando constrói seu ninho, um cupim não tem uma planta do projeto geral do ninho; ele só pode tomar decisões com base em regras locais. Por exemplo, um cupim pode usar grãos de areia que encontra perto de seu ninho e encaixar os grãos seguindo os procedimentos aprendidos com outros cupins. Um grão de areia redondo pode se encaixar próximo a uma forma de meia-lua para maior estabilidade. Essas regras básicas de adjacência podem ser usadas para descrever como construir um ninho de cupins. “Criamos um programa numérico para projeto de materiais com regras semelhantes que definem como dois blocos de materiais diferentes podem aderir um ao outro”, disse.

Esse algoritmo, que a Dra. Daraio e sua equipe chamam de ‘programa de crescimento virtual’, simula o crescimento natural de estruturas biológicas ou a fabricação de ninhos de cupins. Em vez de um grão de areia ou partícula de poeira, o programa de crescimento virtual usa geometrias de materiais exclusivos, ou blocos de construção, bem como diretrizes de adjacência sobre como esses blocos de construção podem se unir. Os blocos virtuais usados ​​neste trabalho inicial incluem uma forma em L, uma forma em I, uma forma em T e uma forma +. Além disso, a disponibilidade de cada bloco de construção recebe um limite definido, em paralelo com os recursos limitados que um cupim pode encontrar na natureza. Usando essas restrições, o programa constrói uma arquitetura em uma grade e, em seguida, essas arquiteturas podem ser traduzidas em modelos físicos 2D ou 3D.

“Nosso objetivo é gerar geometrias desordenadas com propriedades definidas pelo espaço combinatório de algumas formas essenciais, como uma linha reta, uma cruz ou uma forma em ‘L’. Essas geometrias podem então ser impressas em 3D com uma variedade de diferentes materiais de acordo com os requisitos das aplicações”, disse a pesquisadora.

Espelhando a aleatoriedade de um ninho de cupins, cada geometria criada pelo programa de crescimento virtual é única. Alterar a disponibilidade de blocos de construção em forma de L, por exemplo, resulta em um novo conjunto de estruturas. A Dra. Chiara Daraio e equipe experimentaram as entradas virtuais para gerar mais de 54.000 amostras arquitetadas simuladas; as amostras podem ser agrupadas em grupos com diferentes características mecânicas que podem determinar como um material se deforma, sua rigidez ou sua densidade. Ao representar graficamente a relação entre o layout dos blocos de construção, a disponibilidade de recursos e os recursos mecânicos resultantes, a pesquisadora e sua equipe podem analisar as regras subjacentes de estruturas desordenadas. Isso representa uma estrutura completamente nova para análise e engenharia de materiais.

“Queremos entender as regras fundamentais do projeto de materiais para, então, criar materiais que tenham desempenhos superiores aos que usamos atualmente na engenharia. Por exemplo, prevemos a criação de materiais mais leves, mas também mais resistentes a fraturas ou melhores na absorção de impactos mecânicos e vibrações”, disse a professora.

O programa de crescimento virtual explora a fronteira inexplorada de materiais desordenados, emulando a maneira como um cupim constrói seu ninho, em vez de replicar a configuração do próprio ninho. “Esta pesquisa visa controlar a desordem em materiais para melhorar propriedades mecânicas e outras propriedades funcionais usando ferramentas de design e analíticas não exploradas antes”, concluiu a Dra. Chiara Daraio.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Instituto de Tecnologia da Califórnia (em inglês).

Fonte: Ben Peltz, Caltech. Imagem: Gavinevans via Wikimedia Commons.

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