De acordo com a CaltechExperimentos do Caltech Lab of Chiara Daraio, G. Bradford Jones Professor de Engenharia Mecânica e Física Aplicada e Investigador do Instituto de Pesquisa Médica Heritage, produziram um novo tipo de matéria – nem granular nem cristalino – que responde a algumas tensões como um fluido seria e para outros como um sólido. O novo materials impresso em 3D, conhecido como ‘PAM’ (materiais arquitetados policatenados) pode ter usos em áreas que variam de capacetes e outros equipamentos de proteção a dispositivos biomédicos e robótica.
Os Pams não são encontrados na natureza, embora sua forma básica seja conhecida por nós através da fabricação de milênios de correio de cadeia-pequenos anéis de metallic ligados para formar uma malha, mais frequentemente usados como uma forma flexível de armadura. Pams, no entanto, são como o correio de malha em esteróides. Seguindo o princípio básico das formas interligadas, como as encontradas em uma cadeia, os PAMs são compostos de uma variedade de formas ligadas para formar padrões tridimensionais cujas configurações são quase inimaginavelmente variáveis. Os materiais resultantes, que Daraio e seus colegas renderizaram usando impressoras 3D, exibem comportamentos não encontrados em outros tipos de materiais.
Os Pams que o grupo de Daraio criaram e estudaram foram primeiro modelado em um computador e foram projetados para replicar estruturas de treliça encontradas em substâncias cristalinas, mas com as partículas fixas do cristal substituídas por anéis ou gaiolas emaranhadas com vários lados.
Essas redes foram então impressas em 3D usando uma variedade de materiais, incluindo polímeros acrílicos, nylon e metais. Uma vez que os Pams pudessem ser mantidos na palma da mão de alguém-a maioria dos protótipos são cubos ou esferas de 5 centímetros (2 polegadas) com um diâmetro de 5 centímetros-eles foram expostos a vários tipos de estresse físico. “Começamos com a compactação – comprimindo os objetos um pouco mais cada vez mais. Então tentamos um cisalhamento simples, uma força lateral, como o que você aplicaria se estivesse tentando separar o materials. Finalmente, fizemos testes de reologia, vendo como os materiais responderam à torção, primeiro lentamente e depois mais rápido e fortemente ”, disse Wenjie Zhou, uma pesquisa de pesquisa de pós -doutorado em engenharia mecânica e civil.
Em alguns cenários, esses Pams se comportaram como líquidos. “Think about aplicar um estresse de cisalhamento na água”, disse Zhou. “Haveria resistência zero. Como os Pams têm todos esses graus de liberdade coordenados, com os anéis e gaiolas, eles são compostos de deslizar um contra o outro como os vínculos de uma cadeia teriam, muitos têm muito pouca resistência ao cisalhamento. ” Mas quando essas estruturas são compactadas, elas podem se tornar totalmente rígidas – se comportando como sólidas.
“Os Pams são realmente um novo tipo de matéria”, disse Daraio. “Todos temos uma distinção clara em mente quando pensamos em materiais sólidos e matéria granular. Os materiais sólidos são frequentemente descritos como redes cristalinas. É isso que você vê nos modelos clássicos de bola e bastão de estruturas cristalinas atômicas, químicas ou maiores. São esses materiais que formaram nossa compreensão convencional da matéria sólida. A outra classe de materiais é granular, como vemos em substâncias como arroz, farinha ou café moído. Esses materiais são compostos de partículas discretas, livres para se mover e deslizar em relação um ao outro. ”
Pams desafiam essa classificação binária. “Com os Pams, as partículas individuais estão ligadas como estão em estruturas cristalinas e, no entanto, porque essas partículas são livres para se mover em relação a uma à outra, fluem, elas deslizam umas sobre as outras e mudam suas posições relativas, mais como grãos de areia ”, disse Daraio. “Pams podem ser muito diferentes um do outro. Você pode imprimi -los em materiais mole ou difíceis. Você pode alterar a forma de cada partícula e alterar a rede que usa para conectar essas partículas. Cada um desses parâmetros afeta o comportamento do materials resultante. Mas todos eles mostram uma transição característica entre comportamento fluido e sólido. Essa transição pode acontecer em diferentes circunstâncias, mas sempre acontece. ”
““Materiais arquitetados tem sido um subcampo significativo em ciência e engenharia de materiais nos últimos 20 a 30 anos. Mas como híbridos entre materiais granulares e materiais deformáveis elásticos, os Pams são emocionantes e novos. Temos teorias para descrever matéria granular e teorias para descrever matéria deformável elástica, mas nada que captura esses materiais intermediários. É uma fronteira fascinante que promete redefinir o que são os materiais e como eles se comportam ”, disse Daraio. “Esses materiais possuem propriedades exclusivas de absorção de energia. Como cada elemento pode deslizar, girar e reorganizar um ao outro, eles podem dissipar a energia com muita eficiência. ” Essa propriedade os torna atraentes para uso em capacetes ou outras formas de equipamento de proteção, além de embalagens ou em qualquer ambiente em que seja necessário amortecimento ou estabilização.
Experimentos com PAMs em microescala mostraram que se expandirão ou contratarão em resposta a cargas elétricas aplicadas e forças físicas – sugerindo possíveis usos em dispositivos biomédicos ou robótica macia.
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“Podemos imaginar a incorporação de técnicas avançadas de inteligência synthetic para acelerar a exploração desse vasto espaço de design. Estamos apenas arranhando a superfície do que é possível ”, disse o co-autor Liuchi Li, agora professor assistente de engenharia civil e ambiental da Universidade de Princeton.
Esta pesquisa é publicado em ciência Sob o título ‘Materiais arquitetados policatenados 3D’.
Os co-autores incluem Zhou, Daraio, Sujeeka Nadarajah, Hujie Yan, Aashutosh Ok. Prachet e Payal Patel, da Caltech; Li da Universidade de Princeton; e Anna Guell Izard e Xiaoxing Xia, do Laboratório Nacional de Lawrence Livermore (LLNL). Os recursos computacionais foram fornecidos pelo Centro de Computação de Alto desempenho da Caltech, e a pesquisa foi financiada pelo Escritório de Pesquisa do Exército, pelo Gary Clinard Innovation Fund, LLNL e pelo Departamento de Energia dos EUA.