Material granular projetado pode ser comprimido e ainda flui como lquido

Mecnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 23/04/2024

Materiais granulares

Quando voc anda pela praia, caminha pela areia sem problemas: A areia parece slida e difcil de comprimir. Mas pegue um punhado dela, coloque numa ampulheta, e os mesmos gros naturalmente se comportaro de maneira muito diferente: A areia ir fluir como um lquido.

A areia apenas um exemplo dos chamados materiais granulares, sistemas de partculas que impactam em larga medida o mundo natural e o mundo humano, incluindo ditar o fluxo das avalanches, a qualidade do concreto na construo civil, como os gros so armazenados em silos e at mesmo a mistura de frmacos para a produo de medicamentos.

Essa amplitude tem justificado inmeras pesquisas com vistas explorao e ao domnio das propriedades desses materiais. Por exemplo, em materiais granulares feitos em laboratrio, os cientistas j conseguiram ajustar suas propriedades de fluxo “lquido”, como na areia na ampulheta; mas as propriedades de compressibilidade “slidas”, como a areia na praia, tm sido difceis de domar.

Veja o caso dos tetrpodes, enormes blocos de concreto com quatro patas que evitam a eroso das estruturas costeiras, muito comuns na costa do Japo. Juntos, esses tetrpodes formam um metamaterial granular: Um material granular como a areia, mas projetado e fabricado pelo homem. Os tetrpodes tm essa forma por um bom motivo: As pernas estendidas dificultam muito o fluxo de uma pilha desses blocos. Assim, ao contrrio dos pedregulhos comuns, eles permanecem no lugar e, como resultado, fazem o que deveriam fazer: Evitar que o litoral seja alterado.

O exemplo dos tetrpodes mostra que relativamente fcil fabricar materiais granulares quase incompressveis, que apresentam uma fluidez muito pior do que a da areia. No outro extremo do espectro, contudo, vinha sendo muito difcil criar um material que seja fcil de comprimir e flua melhor do que a areia.

Os grnulos pertencem classe dos materiais auxticos.
[Imagem: Daan Haver et al. – 10.1073/pnas.2317915121]

Compressibilidade e fluidez

Agora, pesquisadores da Universidade de Amsterd, nos Pases Baixos, e de Santiago, no Chile, conseguiram projetar novos materiais granulares que tambm podem ser facilmente comprimidos, domando sua fase slida, um resultado que tem grande potencial de aplicaes prticas, como no amortecimento de choques, por exemplo.

“Em trabalhos anteriores, os pesquisadores mostraram maneiras de fazer materiais que se tornam mais finos, no quando esticados, mas quando comprimidos, puramente com base na geometria do material. Este exemplo mostra que possvel ajustar as propriedades do seu material. Estvamos nos perguntando se poderamos usar essa ideia tambm para ajustar materiais granulares,” contou o pesquisador Daan Haver, referindo-se aos chamados materiais auxticos.

O resultado so gros que encolhem radialmente quando sofrem uma presso externa. Isto significa que, quando um aglomerado desses gros comprimido, a quantidade de espao livre entre os gros permanece aproximadamente a mesma e, como resultado, o comportamento de fluxo dos gros permanece semelhante ao de um lquido.

“As foras dentro do meio permanecem baixas. Portanto, o aglomerado no apenas muito compressvel, mas tambm pode fluir melhor. Colocamos os gros em um funil. Normalmente, os gros formaro um arco obstrutivo. No entanto, quando os gros encolhem em relao ao tamanho da abertura, os gros eventualmente fluiro. Com nossos novos gros, abrimos um novo caminho, onde podemos criar aglomerados totalmente diferentes, fceis de comprimir e que ainda fluem facilmente,” disse Haver.

Testes de compressibilidade e fluidez do material engenheirado.
[Imagem: Daan Haver et al. – 10.1073/pnas.2317915121]

Amortecimento

Para demonstrao, a equipe mostrou que um disco de metal, quando colocado em um pacote desses gros, desacelera durante um longo perodo de tempo e no apresenta virtualmente nenhum rebote: A energia do movimento do disco assim transferida de forma mais consistente e homognea para o material.

Isso tem aplicaes promissoras no campo dos amortecedores, sistemas de segurana e at equipamentos de proteo individual.

“Imagine, em vez de um disco de metal, algum caindo em uma corrida de patinao de velocidade. O impacto no patinador ao bater na parede seria pequeno se os novos gros fossem usados dentro da barreira de proteo. Como um bnus adicional valioso, a pessoa no ser arremessada de volta pista, tornando a situao mais segura para todos os envolvidos,” disse Haver.

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