Metamateriais: varetas altamente torcidas armazenam grandes quantidades de energia
Os novos metamateriais mecânicos desenvolvidos no KIT apresentam uma elevada rigidez e uma elevada densidade de energia elástica
Uma equipa internacional de investigadores, coordenada no Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), desenvolveu metamateriais mecânicos com uma elevada densidade de energia elástica. Graças a varetas altamente torcidas que se deformam em forma de espiral, têm um elevado grau de rigidez e podem absorver e libertar grandes quantidades de energia elástica. Os investigadores confirmaram os seus resultados teóricos iniciais com experiências simples de pressão. As suas descobertas foram publicadas na revista científica Nature.
O modelo mostra a deformação em espiral do metamaterial. Graças a este mecanismo, é possível armazenar uma grande quantidade de energia sem que ocorram fracturas.
IAM, KIT / Collage: Anja Sefrin, KIT
Quer se trate de molas para absorção de energia, de amortecedores para armazenamento de energia, mas também de estruturas flexíveis na robótica ou em máquinas energeticamente eficientes: muitas tecnologias requerem o armazenamento de energia mecânica. A energia cinética, ou seja, a energia cinética ou o trabalho mecânico correspondente, é convertida em energia elástica de tal forma que pode ser completamente libertada quando necessário. O parâmetro chave para isso é a entalpia - a densidade de energia que pode ser armazenada e recuperada num elemento material. Peter Gumbsch, Professor de Mecânica dos Materiais no Instituto de Materiais Aplicados (IAM) do KIT, explica o desafio de alcançar a entalpia mais elevada possível: "A dificuldade reside na combinação de propriedades contraditórias: elevada rigidez e elevada deformação recuperável com resistência limitada."
Hastes deformadas em espiral são habilmente dispostas em metamateriais
Os materiais concebidos artificialmente que não existem na natureza, conhecidos como metamateriais, permitem personalizar as propriedades efectivas dos materiais, uma vez que podem ser construídos a partir de unidades definidas individualmente. Peter Gumbsch, que também dirige o Instituto Fraunhofer de Mecânica dos Materiais IWM em Freiburg, conseguiu agora desenvolver metamateriais mecânicos com uma elevada densidade de energia elástica recuperável, no âmbito de uma equipa de investigação internacional da China e dos EUA. "Começámos por descobrir um mecanismo que permite armazenar uma grande quantidade de energia numa simples barra redonda sem que esta se parta ou deforme permanentemente", diz Gumbsch. "Em seguida, integrámos este mecanismo num metamaterial, organizando habilmente as barras".
Os cientistas descrevem o mecanismo utilizando a funcionalidade de uma mola de flexão clássica. Esta é limitada na sua deformação máxima pelo facto de ocorrerem elevadas tensões de tração e compressão nos lados superior e inferior, que levam à rutura ou à deformação plástica permanente. Numa mola de flexão deste tipo, todo o volume interior é apenas ligeiramente tensionado. No entanto, se, em vez disso, uma haste se torcer, toda a superfície está também sujeita a tensões elevadas, mas o volume interno não carregado é muito menor. No entanto, para que este mecanismo seja realmente utilizado, a torção deve ser tão grande que conduza a uma complexa deformação em espiral.
A entalpia é duas a 160 vezes superior à de outros metamateriais
Os investigadores conseguiram integrar essas hastes carregadas por torção e deformadas em espiral num metamaterial que pode ser utilizado macroscopicamente sob cargas uniaxiais. Com base em simulações, previram que o metamaterial tem uma elevada rigidez e pode, por conseguinte, absorver grandes forças. Tem também uma entalpia duas a 160 vezes superior à de outros metamateriais. Confirmaram este facto com experiências simples de pressão em vários metamateriais quirais, ou seja, metamateriais com estruturas em imagem de espelho.
"Os nossos novos metamateriais com elevada capacidade de armazenamento de energia elástica poderão ser utilizados no futuro em várias áreas onde é necessário um armazenamento eficiente de energia e propriedades mecânicas excepcionais", afirma Gumbsch. Para além do armazenamento de energia em molas, são também concebíveis a absorção ou o amortecimento de choques, bem como estruturas flexíveis em robótica ou em máquinas energeticamente eficientes. As rotações que ocorrem no interior dos metamateriais podem também ser utilizadas em articulações puramente elásticas.
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