Simplificando o processo de construção para materiais complexos

Os cientistas podem projetar rapidamente muitas estruturas de metamateriais celulares que possuem propriedades mecânicas únicas.

Os metamateriais são estruturas de interesse de longa data, pois induzem propriedades materiais que diferem daquelas do(s) seu(s) material(is) de base constituinte(s). Os metamateriais geralmente exibem comportamentos não encontrados na natureza, como comportamentos sintonizáveis, compatíveis, quirais, auxéticos e não recíprocos.

O comportamento de um determinado metamaterial é governado principalmente pela sua arquitetura celular, que é o arranjo espacial regular ou aleatório de regiões sólidas e vazios usados ​​para preencher um volume designado. Mas é difícil saber qual estrutura celular levará às propriedades desejadas. Conseqüentemente, os engenheiros podem explorar manualmente apenas uma pequena fração de todos os metamateriais celulares que são hipoteticamente possíveis.

Um método computacional criado por pesquisadores do MIT e do Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria torna mais simples para os usuários projetar rapidamente uma célula de metamaterial a partir de qualquer um desses componentes de construção menores e, em seguida, avaliar as propriedades do metamaterial acabado.

Seu método, semelhante a um sistema especializado de projeto auxiliado por computador (CAD) para metamateriais, permite que um engenheiro modele rapidamente até mesmo metamateriais muito complicados e experimente projetos que, de outra forma, levariam dias para serem construídos. Uma vez que todos os elementos de construção necessários estão disponíveis para o usuário, ele também pode explorar todo o espaço de possíveis formas de metamateriais graças à interface amigável.

Liane Makatura, estudante de graduação em engenharia elétrica e ciência da computação do MIT, disse: “Criamos uma representação que pode cobrir todas as diferentes formas nas quais os engenheiros tradicionalmente demonstram interesse. fluidamente.”

Ao desenvolver metamateriais celulares, os cientistas normalmente começam escolhendo uma representação que descreve os designs potenciais. Esta escolha determina o conjunto de formas que estarão disponíveis para exploração.

No entanto, isso os impede de explorar metamateriais baseados em outros elementos, como placas finas ou estruturas 3D como esferas. Estas formas são fornecidas através de várias representações, mas ainda não existe uma abordagem única que possa ser usada para descrever todas as formas.

Makatura disse: “Ao escolher um subespaço específico com antecedência, você limita sua exploração e introduz um preconceito baseado em sua intuição. Embora isso possa ser útil, a intuição pode estar incorreta e algumas outras formas também podem valer a pena explorar para sua aplicação específica.”

Os cientistas deram um passo atrás e observaram cuidadosamente diferentes metamateriais. Eles perceberam que as formas de dimensões inferiores poderiam descrever as formas que constituem a estrutura geral; por exemplo, uma viga pode ser reduzida a uma linha ou uma casca fina a uma superfície plana.

Eles também observaram que os metamateriais celulares frequentemente contêm simetrias, necessitando da representação de apenas uma pequena porção de toda a estrutura. O resto pode ser montado girando e espelhando o primeiro componente.

Ao combinar essas duas observações, os cientistas tiveram a ideia de que os metamateriais celulares poderiam ser bem representados como uma estrutura gráfica.

Os usuários constroem um esqueleto de metamaterial usando sua representação baseada em gráfico usando vértices e blocos de construção de arestas. Por exemplo, coloca-se um vértice em cada extremidade da viga e conecta-os com uma linha para construir uma estrutura de viga.

A espessura da viga é então especificada usando uma função sobre essa linha, que o usuário pode ajustar de forma que diferentes partes da viga tenham espessuras diferentes.

Etapas semelhantes se aplicam ao lidar com superfícies; primeiro, o usuário marca os vértices dos recursos mais cruciais antes de selecionar uma solução que infere o resto da superfície.

Os usuários também podem construir rapidamente uma superfície mínima triplamente periódica (TPMS), um tipo de metamaterial altamente complexo, usando esses solucionadores simples de usar. Estas estruturas são extraordinariamente fortes, mas o seu desenvolvimento típico pode ser mais complexo e propenso a erros.