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Imagine puxar as pontas longas de um pedaço retangular de borracha.
Deve ficar mais estreito e mais fino.
Mas e se, em vez disso, ficasse mais largo e mais gordo?
Agora, empurre nessas mesmas extremidades. E se a borracha ficasse mais estreita e mais fina?
Esses materiais que desafiam o bom senso existem. Eles são chamados de auxéticos e possuem uma série de propriedades únicas que os tornam adequados para palmilhas de tênis, edifícios resistentes a bombas, pára-choques de carros e roupas.
Apesar deste grande potencial, os produtos auxéticos têm demorado a chegar ao mercado. Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade de Chicago esperam mudar isso.
Em um novo estudo publicado em Materiais Computacionais NPJ, eles anunciaram que desenvolveram uma nova ferramenta que torna mais fácil e rápido projetar materiais com propriedades auxéticas. Um algoritmo, a ferramenta permite o design tridimensional preciso de auxéticos.
“É um grande avanço para a auxética”, disse o engenheiro de pesquisa de materiais do NIST, Edwin Chan, coautor do estudo. “Na verdade, podemos otimizar o material para ter as propriedades mecânicas e o comportamento específicos que você deseja.”
O comportamento dos materiais elásticos é parcialmente descrito pelo índice de Poisson, que explica como o material muda de forma quando você o estica ou aperta em uma direção.
A maioria dos materiais tem um índice de Poisson positivo, o que significa que comprimi-los em uma direção os tornará mais largos e/ou mais grossos em outras direções. Esticá-los torna-os mais estreitos e/ou mais finos.
Os auxéticos têm um valor negativo do índice de Poisson e fazem exatamente o inverso.
Quando você punciona um material não-auxético, ele fica mais fino e se expande lateralmente. Quando você perfura um auxético, o material se aglomera e diminui em largura. Nas circunstâncias certas, isto proporciona maior resistência ao impacto.
Por exemplo, se você perfurar um saco cheio de água (como você carregaria para caminhar), a água dentro dele fluirá para longe do ponto de impacto. Porém, se o saco estivesse cheio de espuma auxética quando você o perfurasse, o material ficaria mais denso e rígido.
Esta é uma das razões pelas quais os auxéticos estão sendo considerados para uso em edifícios e automóveis. Eles têm o potencial de oferecer maior proteção contra explosões e colisões. Na palmilha de um tênis, um gel auxético ou espuma de borracha pode amortecer melhor o pé quando ele atinge o solo.
No vestuário, nylons auxéticos, fibras e outros materiais sintéticos podem ser mais confortáveis do que os materiais tradicionais. Uma vez que se alargam quando esticados, distribuem a pressão de forma mais eficaz por todo o corpo, aliviando potencialmente a tensão nas costas, articulações, pescoço ou ombros. Um estudo sobre o uso de materiais auxéticos em alças de sutiã descobriu que “estruturas auxéticas de poliéster e náilon exibiam notáveis capacidades de distribuição de pressão”.
A ferramenta de design desenvolvida pelos cientistas do NIST e da Universidade de Chicago é um algoritmo de “projeto inverso”, o que significa que os usuários podem inserir o valor desejado para o índice de Poisson do material auxético. O algoritmo então propõe uma estrutura otimizada para o material.
Outra forma de expressar o índice de Poisson é descrever a relação entre forma e volume quando um deles muda. O novo algoritmo permite ajustar essa relação para criar materiais auxéticos que se comportam de maneiras que você não encontraria na natureza.
“Nossa pesquisa é um belo exemplo de ciência teórica, experimental e computacional trabalhando em conjunto para realizar algo novo”, disse o engenheiro de pesquisa de materiais do NIST, Marcos Reyes-Martinez. “Ter uma maneira de melhorar os auxéticos permitirá que eles se tornem mais prevalentes em nossa vida cotidiana.”
Os pesquisadores patentearam o algoritmo, bem como a metodologia subjacente e sua implementação por meio de impressão 3D.
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