Você sabe o que são materiais auxéticos?

Os materiais auxéticos são aqueles que possuem uma compressibilidade negativa, ou seja, eles possuem um coeficiente de poisson negativo. Isso significa que eles têm o seu volume aumentado quando for aplicada uma força de compressão.

Anteriormente, assumia-se que o coeficiente de poisson, que é a medida de deformação transversal de um material, não poderia ser alterada e que a maioria apresentava um coeficiente positivo entre +0,22 e +0,33. Porém nos últimos anos foi descoberto que sim, um material pode ter um coeficiente negativo e isso é possível quando se altera a estrutura do material e os mecanismos de deformação dele.

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#5 Conversa com Engenheiro: Jefferson J. do Rosário (TUHH)

Jefferson J. do Rosário tem graduação em Engenharia de Materiais pela UFSC com período sanduíche no Instituto Nacional de Ciências Aplicadas (INSA) de Rennes na França e mestrado em Engenharia Mecânica na área de Fabricação pela mesma instituição com período sanduíche na Universidade Técnica de Hamburgo (TUHH) na Alemanha. Atualmente ele é Assistente de Pesquisa no Instituto de Cerâmicas Avançadas na TUHH trabalhando no “Collaborative Research Center SFB986: Tailor-Made Multi-Scale Materials System” financiado pela Fundação Alemã de Pesquisa (DFG, sigla em alemão) na área de cristais e vidros fotônicos para reflexão de radiação térmica a base de zircônia estabilizada com ítria (YSZ, sigla em inglês) para a próxima geração de barreiras térmicas (TBCs, sigla em inglês) e metamateriais mecânicos fabricados por auto-organização.

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Foto por: Hüseyin Özcoban

 

1. O que são metamateriais?

Existem vários tipos de metamateriais, alguns exemplos são os fotônicos, acústicos ou mecânicos. Uma definição que consegue englobar todos estas classes é: metamateriais são materiais que tem suas propriedades controladas pela sua arquitetura e escalas de comprimento ao invés da sua composição. Metamateriais mecânicos são materiais porosos e são muitas vezes chamados de microarquiteturas, pois são formados de escoras (struts, em inglês) de maneira ordenada em escala micrométrica.

2. Quais são as principais aplicações de metamateriais e qual é a sua importância?

No caso de metamateriais mecânicos é possível projetar a arquitetura para, por exemplo, maximizar as propriedades específicas como resistência ou módulo elástico. Assim, pode-se otimizar os materiais para ao mesmo tempo apresentarem altos valores de propriedade mecânicas e baixo peso. Uma publicação em fevereiro deste ano na revista Nature Materials [1] mostrou que microarquiteturas de carbono amorfo estão se aproximando da resistência teórica dos materiais porosos. Outro exemplo de metamaterial mecânico, que foi publicado na revista Science [2], é uma microarquitetura feita de alumina que recupera sua forma depois de comprimida 50%, o que seria impensável para uma cerâmica convencional.

3. Quais são as maiores limitações para a aplicação de metamateriais atualmente?

A maior limitação destes materiais é a fabricação em larga escala. Não é fácil combinar o design na microescala com grandes volumes. Até agora muitos destes materiais foram fabricados usando diferentes tipos de processos litográficos, que “imprime” cada detalhe um a um, como em uma impressora 3D. No nosso instituto nós propomos um conhecido material na área óptica, a opala inversa, como um metamaterial mecânico. Em relação a fabricação, a opala inversa tem a vantagem de ser fabricada por um processo conhecido como auto-organização que possibilita a cobertura de grande áreas.

4. O que é uma opala inversa e por que ela é um metamaterial?

A opala inversa apresenta um microestrutura onde poros estão ordenados em uma estrutura cúbica de face centrada, como átomos em cristais. Este material tem uma porosidade de aproximadamente 74% e os poros dão uma estrutura em forma de arco que impede a concentração de tensões no material, distribuindo-as de maneira mais homogênea. As nossas investigações mostraram que a opala inversa tem um desempenho superior a varias microarquiteturas fabricadas por litografia. Estes resultados foram publicados na revista Advanced Engineering Materials.[3]

5. Você acredita que o conhecimento atual a respeito de metamateriais está começando a saturar ou ainda há muito a ser descoberto? O que você espera para o futuro desses materiais?

O estudo destes materiais é relativamente novo e ainda há muito o que aprender como design de novas estruturas ou a investigação de estruturas já conhecidas em outras áreas e a aplicação destes como metamateriais. Existe um campo enorme de aplicação para materiais leves e resistentes, como na aviação, mas eu acredito que há outras muitas propriedades a serem descobertas.

6. Quais foram as principais considerações que você fez para fazer um doutorado do exterior invés de fazer no Brasil?

É uma combinação de escolhas pessoais e profissionais. Na graduação, eu estive um ano na França pelo programa BRAFITEC e no mestrado, que eu fiz Engenharia Mecânica na UFSC, eu estive 8 meses na Alemanha aqui na TUHH, onde eu estou fazendo o doutorado agora. Quando estive aqui no mestrado me identifiquei com o tema e gostei muito do instituto, ficar para o doutorado foi um processo natural.

7. Quais dicas você dá para alguém que quer seguir a carreira de pesquisador?

Acredito que fazer o doutorado, ser pesquisador, tem que estar alinhado com o projeto de carreira que se quer seguir. Fazer pesquisa é para aqueles que gostam de aprender sempre e usar o conhecimento para resolver problemas. Se ser pesquisador já é a sua escolha, eu diria que é importante colecionar o maior número de experiências na área, fazer contatos, aprender línguas, etc. É importante também se direcionar a uma área de pesquisa de interesse, mas sem esquecer das outras áreas, pois quanto mais fundo se vai em uma área, mais se dá conta que conhecimentos de outras áreas são necessários.


Agradecemos muito ao Jefferson por ter disponibilizado o seu tempo para compartilhar o seu conhecimento conosco!

Perdeu as outras entrevistas?

#1 Conversa com engenheiro: Guilhermino Fechine (Mackgraphe)

#2 Conversa com engenheiro: Gabriel Nunes (TNS)

#3 Conversa com engenheiro: Elisângela Guzi (UFSC)

#4 Conversa com engenheiro: Matheus Biava (Doris Engenharia)


Referências

[1] J. Bauer, A. Schroer, R. Schwaiger, O. Kraft, Approaching theoretical strength in glassy carbon nanolattices, Nature Materials (2016). doi:10.1038/nmat4561

[2] L.R. Meza, S. Das, and J.R. Greer, Strong, lightweight, and recoverable three-dimensional ceramic nanolattices,. Science 345, 1322-1326 (2014).

[3] J.J. do Rosário, E.T. Lilleodden, M. Waleczek, R. Kubrin, A.Yu. Petrov, P.N. Dyachenko, J.E.C. Sabisch, K. Nielsch, N. Huber, M. Eich, G.A. Schneider, Self-Assembled Ultra High Strength, Ultra Stiff Mechanical Metamaterials Based on Inverse Opals, Advanced Engineering Materials 17 (10), 1420-1424 (2015).

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Capa de Invisibilidade Ultrafina

Quem nunca ficou fascinado ao ver os filmes do Harry Potter, em que ele utiliza sua capa de invisibilidade para escapar de grandes enrascadas? Isto é magia? Não… é engenharia de materiais! Apesar de nos dias atuais ainda não ser possível o desenvolvimento de capas capazes de cobrir pessoas ou objetos macroscópicos, os cientistas conseguiram recentemente desenvolver pela primeira vez uma capa de invisibilidade ultrafina que é capaz de evitar que partículas micrométricas sejam detectadas pela luz visível.

A capa ultrafina foi desenvolvida pela equipe de Xiang Zhang, um dos maiores nomes mundiais na área de metamateriais – materiais que apresentam propriedades não encontradas na natureza.  A equipe de Zhang, da Universidade de Berkeley, criou uma capa de 80nm de espessura a partir de nanoantenas de ouro, que apresentam a forma de minúsculos tijolos. Quando a luz visível incide sobre a capa ultrafina, ela se comporta como um espelho plano, refletindo as ondas de volta a nossos olhos como se não houvesse nenhum objeto embaixo de si, tornando-o imperceptível. É possível observar isto a partir da figura, na qual mostra-se a capa de invisibilidade cobrindo um objeto e a luz (seta vermelha) incidindo e refletindo sobre a mesma como em um espelho plano.

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Ilustração da capa ultrafina cobrindo um objeto. Fonte: ZHANG et al., 2015.

Para que a capa funcione, cada nanoantena interage com a luz de forma a restaurar sua fase e frente de onda, tornando o objeto escondido. Assim, ao mudar a polarização das nanoantenas consegue-se ligar e desligar a capa de invisibilidade, como mostra o video. Repare como os objetos, representados por dois retângulos pretos, são escondidos através da ação da capa e depois são novamente exibidos quando esta é desligada.

Até o momento, só foram cobertos objetos com o tamanho aproximado de células, pois as nanoantenas devem ser organizadas de forma extremamente precisa para coincidir com as saliências da superfície do objeto que está por baixo. Assim, ainda não é possível esconder regiões muito grandes ou pontudas em comparação ao comprimento das ondas, tampouco objetos que se mexam, pois o movimento acaba com o efeito de ilusão.

Enquanto a capa ainda não pode fazer objetos macroscópicos desaparecerem, poderia dar a ilusão de que apresentam outras dimensões. Assim, por exemplo, aviões de guerra, cobertos pela capa poderiam ser mascarados como aviões de carga. Da mesma forma, outros objetos poderiam ser feitos parecer aquilo que não são. Enquanto isso, os pesquisadores da área de materiais continuam suas pesquisas em rumo a capas com aplicações mais abrangentes, mas a descoberta de Zhang de fato revolucionou a ciência como a primeira capa a poder esconder objetos da luz visível, deixando-nos um passo mais próximos a tornar realidade aquilo que sempre foi retratado como ficção; alcançar a invisibilidade.

Fontes:

Xingjie Ni, Zi Jing Wong, Michael Mrejen, Yuan Wang, Xiang Zhang. An ultrathin invisibility skin cloak for visible light. Science, 2015.

cientistas estão a um passo de criar a verdadeira capa da invisibilidade – Abril;

Making 3D Objects Disappear – News Center.

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7 materiais futuristas que já existem!

Sabe aqueles materiais que são típicos de ficção científica? Pois é, a engenharia de materiais os torna realidade. Selecionamos 7 materiais que parecem não existir, mas já estão ou logo estarão presentes nas nossas vidas.

Aerogel

Em 1931 já se falava desse grupo de materiais, mas foi apenas há 25 anos que realmente os cientistas começaram a se interessar por eles. O aerogel é uma espuma geralmente feita de géis de alumina e que 99,8% do seu volume consiste em espaços aparentemente vazios, que na verdade são preenchidos por ar.

Umas das características mais interessantes desse material é que ele aguenta uma carga de compressão que pode ser igual até 4 mil vezes o seu próprio peso e além disso é um ótimo isolante térmico. Na foto abaixo, por exemplo, o aerogel separa a flor de uma chama que pode chegar a 1100 graus celsius, incrível não?

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Aerogel utilizado como isolante térmico. Fonte imagem

Assim, a aplicação desse material varia muito e vai desde a sua utilização em missões espaciais até na utilização de limpeza de manchas de óleos em oceanos.

Nanotubos de carbono

Os nanotubos de carbono são basicamente folhas de grafeno (que já falamos dele aqui e aqui!) enroladas que formam uma peça cilíndrica com diâmetro de aproximadamente 1 nm. Assim, dependendo da forma com que estão enrolados e então da forma que os átomos de carbono estão dispostos, o material pode ser condutor ou semicondutor. Vale relembrar que é um material 200 vezes mais resistente que o aço e é até 1000 vezes mais eficaz no transporte de energia ao ser comparado com os fios de cobre. As aplicações mais desejáveis para esses materiais é na produção de nano-processadores e na transmissão eficiente de energia.

Espumas metálicas

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Fonte imagem

Essas espumas são formadas quando por exemplo é adicionado ao alumínio fundido um agente formador de poros, que é um pó de TiH2, mas podem ser feitos de outros tipos de materiais também. O volume dos poros nesse material está em torno de 75-95%, ou seja, é um material muito leve e pouco condutor, mas é muito resistente. Esses materiais podem ser utilizados para diminuir o peso e absorver o impacto em carros, também são utilizados em dispositivos médicos e em filtros

Metamateriais

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Fonte imagem

Os metamateriais são aqueles que possuem propriedades não encontradas na natureza, ou seja, apenas podem ser produzidos artificialmente e elas dependem muito da estrutura dele e não tanto da sua composição química. Através de pesquisas já foram desenvolvidos materiais com índice de refração negativo, uma cerâmica que após ser comprimida em 50% volta ao seu estado inicial e até mantos de invisibilidade eletromagnética e acústica. Você também pode ler mais no nosso post só sobre metamateriais.

Alumina Transparente

Já imaginou um material 3 vezes mais resistente que o metal, 85% mais dura que a safira e ainda transparente? Esse é o caso dessa alumina, que é uma cerâmica policristalina conhecida também como oxinitrato de alumínio que até já apareceu em um dos filmes antigos do Star Trek. Ela foi desevolvida primeiramente pelos Estados Unidos com o intuito de ser utilizada como janelas em veículos blindados. Existem rumores que a Microsoft utilizaria na confecção de smartwatch, por ser muito mais resistente que o Gorilla Glass. Os grandes desafios do desenvolvimento desse material é evitar microporos, ter um maior controle sobre os contornos de grãos e minimizar o número de impurezas.

E-textiles

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Fonte imagem

Não é nenhuma novidade que os wearables estão em alta, mas ainda não estamos acostumados a ver tecidos eletrônicos. Eles simplesmente são tecidos com componentes eletrônicos, que além de serem utilizados para fins estéticos, poderão auxiliar na regulagem de temperatura do corpo, reduzir a resistência ao ar ou até mesmo controlar a vibração muscular. Assim, ajudará muito na performance de atletas e pode ser utilizada também para fins militares. Além disso poderá proteger nosso corpo contra radiação e até mesmo dos efeitos das viagens espaciais.

Liquid metals

São os famosos metais amorfos, que são chamados dessa maneira não por estarem líquidos em temperatura ambiente, mas sim pela forma que as suas moléculas se comportam. Esse material possui também inúmeras propriedades como por exemplo, ele é  2,5x mais resistente do que o titânio; tem dureza 1,5x maior do que um aço inoxidável; é 2-3 vezes mais resistente à deformações plásticas do que um aço comum; não é corrosivo; possui alta condutividade térmica e elétrica. O vídeo abaixo mostra quão mais elástico ele é comparado com metais comuns.

E você, quais materiais adicionaria nessa lista?

Você pode ler mais sobre eles nas fontes utilizadas:

Tecnomundo – Aerogel

Nanotubos de carbono

Metal Foams

Alumina transparente

Forbes – Tecido inteligente

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Metamateriais: Os materiais que vão contra as leis da natureza!

Metamateriais é um termo utilizado para designar materiais artificiais que possuem propriedades não encontradas na natureza através da alteração da sua micro e macroestrutura ou da formação de um compósito.  Em 1967 na Ucrânia o cientista Victor Vaselago foi pioneiro nos estudos sobre metamateriais ao provar que era possível obter propriedades como o índice de refração negativo. Vaselago previu que um suposto material com permissividade elétrica e permeabilidade térmica, ambas negativas, exibiria tais comportamentos não convencionais, porém quem realmente concretizou a ideia foi o cientista John Pendry que desenvolveu materiais capazes de ter uma performance da maneira esperada por Vaselago!

As partículas para compor esse material devem ser pequenas o bastante para conseguir interagir com a onda magnética, ou as ondas devem ser muito grandes comparadas às metaparticulas. Sendo assim o desenvolvimento dessa ciência está fortemente relacionada com o desenvolvimento dos nanomateriais. Mesmo que não seja o ideal, Pendry utilizou anéis e pinos de um aço comum, já que a composição para esses materiais não é o ponto central e sim a sua estrutura e a sua ordenação.

Mas quais as aplicações que eles teriam?

Creio que uma das maiores indagações da humanidade é como fazer um material invisível e a partir dos estudos sobre metamateriais pode-se obter mantos de invisibilidade eletromagnética e acústica, que é um caminho para essa invisibilidade absoluta. Ainda mais pode-se conseguir imagens com uma maior ampliação em telescópios e microscópios.

Na California Institute of Technology são estudados tubos de cerâmicas que após serem comprimidos até 50% voltam ao seu estado inicial! O que é muito impressionante considerando que as cerâmicas geralmente são materiais frágeis e possuem uma recuperação elástica insignificante. A técnica utilizada foi construir uma camada atômica por vez para criar uma rede de tubos cerâmicos ocos, que possuem espessura na escala nanométrica.

Arranjo dos nanotubos cerâmicos. Fonte
Arranjo dos nanotubos cerâmicos. Fonte

Um outro exemplo deles é estudado pela Prof. Katia Bertoldi da Harvard University, que possui um coeficiente de poisson negativo, ou seja, quando o material ele é comprimido na direção y, por exemplo, ele será comprimido em todas as outras direções. E quando ele é esticado, também será expandido em todas as direções. O coeficiente afeta também na fadiga de um metal, por isso uma pesquisa é feita com parceria com a Rolls Royce para obter um design do produto que resistirá a mais ciclos de compressão antes de fraturar.

Com o avanço dessas tecnologias e dos estudos envolvidos, esses materiais poderão ser aplicados em produtos e em projetos onde outros não são adequados hoje, permitindo um desenvolvimento em todas as outras áreas da engenharia também. E nossos sonhos, como por exemplo a capa invisível, poderão se tornar realidade!

Leia mais em:

BBC News

Pioneers in metamaterials: John Pendry and Victor Veselago

A Revolução dos Metamateriais

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