Pesquisadores reconfiguram a topologia de material na microescala

Pesquisadores reconfiguram a topologia de material na microescala

Por

Harvard Shield criptografado

Os pesquisadores codificaram padrões e designs no material fazendo pequenos ajustes invisíveis na geometria da estrutura triangular. Crédito: Imagem cortesia de Shucong Li / Bolei Deng / Harvard SEAS

Materiais reconfiguráveis ​​podem fazer coisas incríveis. Folhas planas se transformam em um rosto. Um cubo extrudado se transforma em dezenas de formas diferentes. Mas há uma coisa que um material reconfigurável ainda não foi capaz de mudar: sua topologia subjacente. Um material reconfigurável com 100 células sempre terá 100 células, mesmo que essas células sejam esticadas ou comprimidas.

Agora, pesquisadores da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson desenvolveram um método para alterar a topologia fundamental de um material celular em microescala. A pesquisa é publicada em Natureza.

“A criação de estruturas celulares capazes de alterar dinamicamente sua topologia abrirá novas oportunidades no desenvolvimento de materiais ativos com criptografia de informações, captura seletiva de partículas, bem como propriedades mecânicas, químicas e acústicas ajustáveis”, disse Joanna Aizenberg, professora de Ciência de Materiais da Amy Smith Berylson na SEAS e Professor de Química e Biologia Química e autor sênior do artigo.

Topologia de materiais de triângulos

Topologia de material hexágonos

Os pesquisadores desenvolveram um método para alterar a topologia fundamental de um material celular em microescala, abrindo caminho para materiais ativos com propriedades mecânicas, químicas e acústicas ajustáveis. Crédito: Imagens cortesia de Shucong Li / Bolei Deng / Harvard SEAS

Os pesquisadores utilizaram a mesma física que une nossos cabelos quando eles ficam molhados – a força capilar. A força capilar funciona bem em materiais macios e flexíveis, como o nosso cabelo, mas luta com estruturas celulares rígidas que exigem dobrar, esticar ou dobrar as paredes, especialmente em torno de nós fortes e conectados. A força capilar também é temporária, com os materiais tendendo a retornar à configuração original após a secagem.

A fim de desenvolver um método duradouro, mas reversível, para transformar a topologia de microestruturas celulares rígidas, os pesquisadores desenvolveram uma estratégia dinâmica em duas camadas. Eles começaram com uma microestrutura celular polimérica rígida com uma topologia de rede triangular e a expuseram a gotículas de um solvente volátil escolhido para dilatar e amolecer o polímero em escala molecular. Isso tornava o material temporariamente mais flexível e, nesse estado flexível, as forças capilares impostas pelo líquido em evaporação aproximavam as bordas dos triângulos, mudando suas conexões entre si e transformando-as em hexágonos. Então, conforme o solvente evaporou rapidamente, o material secou e ficou preso em sua nova configuração, recuperando sua rigidez. Todo o processo demorou alguns segundos.

“Quando você pensa em aplicações, é muito importante não perder as propriedades mecânicas de um material após o processo de transformação”, disse Shucong Li, estudante de graduação no Laboratório de Aizenberg e co-autor do artigo. “Aqui, mostramos que podemos começar com um material rígido e terminar com um material rígido por meio do processo de amolecimento temporário no estágio de reconfiguração.”

Montagem de Microestruturas

Vídeo da montagem das microestruturas. A estrutura do triângulo é exposta a um líquido que dilata e amolece o polímero. Nesse estado flexível, as forças capilares impostas pelo líquido em evaporação aproximam as bordas dos triângulos, mudando suas conexões entre si e transformando-as em hexágonos. Crédito: Vídeo cortesia de Shucong Li / Bolei Deng / Harvard SEAS

A nova topologia do material é tão durável que pode resistir ao calor ou ficar submerso em alguns líquidos por dias sem desmontar. Sua robustez, na verdade, representou um problema para os pesquisadores que esperavam tornar a transformação reversível.

Para retornar à topologia original, os pesquisadores desenvolveram uma técnica que combina dois líquidos. O primeiro aumenta temporariamente a estrutura, o que separa as paredes aderidas dos hexágonos e permite que a estrutura retorne à sua estrutura triangular original. O segundo líquido, menos volátil, retarda o surgimento das forças capilares até que o primeiro líquido tenha evaporado e o material tenha recuperado sua rigidez. Desta forma, as estruturas podem ser montadas e desmontadas repetidamente e aprisionadas em qualquer configuração intermediária.

Desmontagem de microestruturas

Vídeo da desmontagem das microestruturas. O primeiro incha temporariamente a treliça, que descasca as paredes aderidas. O segundo líquido, menos volátil, retarda o surgimento das forças capilares até que o primeiro líquido tenha evaporado e o material tenha recuperado sua rigidez. Crédito: Vídeo cortesia de Shucong Li / Bolei Deng / Harvard SEAS

“A fim de estender nossa abordagem às redes arbitrárias, foi importante desenvolver um modelo teórico generalizado que conecta geometrias celulares, rigidez do material e forças capilares”, disse Bolei Deng, co-autor do artigo e aluno de pós-graduação no laboratório de Katia Bertoldi, a Professora William e Ami Kuan Danoff de Mecânica Aplicada no SEAS.

Guiados por este modelo, os pesquisadores demonstraram transformações topológicas reversíveis programadas de várias geometrias de rede e materiais responsivos, incluindo a transformação de uma rede de círculos em quadrados.

Os pesquisadores exploraram várias aplicações para o estudo. Por exemplo, a equipe codificou padrões e designs no material fazendo pequenos ajustes invisíveis na geometria da estrutura triangular.

“Você pode imaginar isso sendo usado para criptografia de informações no futuro, porque você não pode ver o padrão no material quando ele está em seu estado desmontado”, disse Li.

Os pesquisadores também demonstraram uma transformação altamente local, montando e desmontando regiões da rede com uma pequena gota de líquido. Este método pode ser usado para ajustar as propriedades de fricção e umectação de um material, alterar suas propriedades acústicas e resiliência mecânica e até mesmo reter partículas e bolhas de gás.

“Nossa estratégia pode ser aplicada a uma variedade de aplicações”, disse Bertoldi, que também é co-autor do artigo. “Podemos aplicar este método a diferentes materiais, incluindo materiais responsivos, diferentes geometrias e diferentes escalas, até mesmo a nanoescala, onde a topologia desempenha um papel fundamental no projeto de meta-superfícies fotônicas ajustáveis. O espaço de design para isso é enorme. ”

Referência: “Transformações topológicas induzidas por líquido de microestruturas celulares” por Shucong Li, Bolei Deng, Alison Grinthal, Alyssha Schneider-Yamamura, Jinliang Kang, Reese S. Martens, Cathy T. Zhang, Jian Li, Siqin Yu, Katia Bertoldi e Joanna Aizenberg, 14 de abril de 2021, Natureza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03404-7

Esta pesquisa foi coautoria de Alison Grinthal, Alyssha Schneider-Yamamura, Jinliang Kang, Reese S. Martens, Cathy T. Zhang, Jian Li e Siqin Yu.

Foi apoiado pela National Science Foundation por meio do programa Designing Materials to Revolutionize and Engineer our Future (DMREF) sob o prêmio no. DMR-1922321, o Centro de Engenharia e Ciência de Pesquisa de Materiais da Universidade de Harvard (MRSEC) sob o prêmio no. DMR-18 2011754, e pelo Departamento de Energia dos EUA (DOE), Office of Science, Basic Energy Sciences (BES) sob o número de prêmio DE-SC0005247.

KPUEv3iZCk

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *