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Pesquisadores do Instituto de Física da UvA e da ENS de Lyon descobriram como projetar materiais que necessariamente tenham um ponto ou uma linha onde o material não se deforme sob estresse, e que até lembrem como foram picados ou espremidos no passado. Esses resultados podem ser usados em robótica e computadores mecânicos, enquanto princípios de design semelhantes podem ser usados em computadores quânticos.
O resultado é um avanço no campo dos metamateriais: materiais de design cujas respostas são determinadas por sua estrutura e não por sua composição química. Para construir um metamaterial com memória mecânica, os físicos Xiaofei Guo, Marcelo Guzmán, David Carpentier, Denis Bartolo e Corentin Coulais perceberam que seu projeto precisa ser ‘frustrado’, e que essa frustração corresponde a um novo tipo de ordem, que eles chamam de não -ordem orientável.
Física com uma reviravolta
Um exemplo simples de um objeto não orientável é uma tira de Möbius, feita pegando uma tira de material, adicionando meia torção a ela e colando suas pontas juntas. Você pode tentar fazer isso em casa com uma tira de papel. Seguindo a superfície de uma tira de Möbius com o dedo, você descobrirá que, quando voltar ao ponto de partida, seu dedo estará do outro lado do papel.
Uma faixa de Möbius não é orientável porque não há como rotular os dois lados da faixa de maneira consistente; a torção torna toda a superfície uma e a mesma. Isso contrasta com um cilindro simples (uma tira sem torções cujas extremidades são coladas), que possui uma superfície interna e externa distintas.
Guo e seus colegas perceberam que essa não orientação afeta fortemente como um objeto ou metamaterial responde ao ser empurrado ou espremido. Se você colocar um cilindro simples e uma tira de Möbius em uma superfície plana e pressioná-los por cima, verá que os lados do cilindro ficarão salientes (ou para dentro), enquanto os lados da tira de Möbius não podem fazer isso. o mesmo. Em vez disso, a não orientabilidade deste último garante que sempre haja um ponto ao longo da tira onde ela não se deforme sob pressão.
Frustração nem sempre é algo ruim
Curiosamente, esse comportamento se estende muito além das tiras de Möbius. “Descobrimos que o comportamento de objetos não orientáveis, como as tiras de Möbius, nos permite descrever qualquer material que seja globalmente frustrado. Esses materiais naturalmente querem ser ordenados, mas algo em sua estrutura proíbe a ordem de abranger todo o sistema e força o padrão ordenado a desaparecer em um ponto ou linha no espaço. Não há como se livrar desse ponto de fuga sem cortar a estrutura, então ele tem que estar lá, não importa o que aconteça”, explica Coulais, que lidera o Laboratório de Materiais de Máquinas da Universidade de Amsterdã.
A equipe de pesquisa projetou e imprimiu em 3D suas próprias estruturas metamateriais mecânicas que exibem o mesmo comportamento frustrado e não orientável das tiras de Möbius. Seus projetos são baseados em anéis de quadrados conectados por dobradiças em seus cantos. Quando esses anéis são espremidos, os quadrados vizinhos giram em direções opostas para que suas bordas se aproximem. A rotação oposta dos vizinhos torna a resposta do sistema análoga à ordenação antiferromagnética que ocorre em certos materiais magnéticos.
Anéis compostos por um número ímpar de quadrados são frustrados, pois não há como todos os quadrados vizinhos girarem em direções opostas. Anéis ímpares espremidos, portanto, exibem ordem não orientável, na qual o ângulo de rotação em um ponto ao longo do anel deve ir para zero.
Sendo uma característica da forma geral do material, torna-se uma propriedade topológica robusta. Ao conectar vários metarings, é até possível emular a mecânica de estruturas topológicas de dimensões superiores, como a garrafa de Klein.
memória mecânica
Ter um ponto ou linha forçada de deformação zero é a chave para dotar os materiais com memória mecânica. Em vez de espremer um anel de metamaterial de todos os lados, você pode pressionar o anel em pontos distintos. Ao fazer isso, a ordem em que você pressiona diferentes pontos determina onde termina o ponto ou linha de deformação zero.
Esta é uma forma de armazenar informações. Pode até ser usado para executar certos tipos de portas lógicas, a base de qualquer algoritmo de computador. Um simples anel de metamaterial pode, assim, funcionar como um computador mecânico.
Além da mecânica, os resultados do estudo sugerem que a não orientabilidade pode ser um princípio de design robusto para metamateriais que podem armazenar efetivamente informações em escalas, em campos tão diversos quanto ciência coloidal, fotônica, magnetismo e física atômica. Pode até ser útil para novos tipos de computadores quânticos.
Coulais conclui: ‘Em seguida, queremos explorar a robustez das deformações que desaparecem para a robótica. Acreditamos que as deformações que desaparecem podem ser usadas para criar braços robóticos e rodas com mecanismos previsíveis de flexão e locomoção.’
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