Tecido endurece sob demanda para proteger as pessoas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 12/08/2021

Quando selado a vácuo, o material torna-se 25 vezes mais rígido, suportando uma carga mais de 50 vezes seu próprio peso.
[Imagem: NTU Singapore and Caltech]

Rigidez sob demanda

Este novo material é flexível como um tecido, mas pode endurecer sob demanda.

Antes do uso ele lembra um plástico bolha, com a diferença de que seus espaços vazios são octaedros (uma forma com oito faces triangulares iguais) que se entrelaçam, e os polímeros de nylon a partir dos quais ele foi feito são ligeiramente mais rígidos.

Mas, quando esse plástico macio e flexível é embrulhado em um envelope e selado a vácuo, ele se transforma em uma estrutura firme que é 25 vezes mais rígida - mais difícil de dobrar - do que quando relaxada, tornando-se comparável a um compensado de madeira.

O princípio físico por trás desse comportamento é chamado "transição de bloqueio", semelhante ao comportamento de enrijecimento nos sacos de arroz ou café embalados a vácuo.

Só que, além das embalagens, materiais com esse comportamento, conhecidos como "tecidos estruturados", podem ter muitas outras aplicações, já que não precisam ser feitos de plástico: A equipe já está trabalhando em versões feitas de metal.

Tecidos estruturados

Umas das aplicações mais promissoras do novo material é no campo da segurança pessoal, com tecidos inteligentes que podem endurecer para proteger o usuário contra um impacto, coletes à prova de perfurações, suporte médico configurável para idosos, exoesqueletos de proteção para esportes de alto impacto ou equipamentos de proteção individual (EPIs) para locais como canteiros de obras.

A equipe jogou uma pequena bola de aço (30 gramas, medindo 1,27 cm de diâmetro) na cota de malha a 3 metros por segundo. O impacto deformou o tecido em até 26 mm quando relaxado, mas apenas 3 mm quando ele estava enrijecido a vácuo.

"Com um tecido engenheirado leve e ajustável - facilmente chaveável de macio para rígido - podemos usá-lo para atender às necessidades dos pacientes e da população idosa, por exemplo, para criar exoesqueletos que podem ajudá-los a se levantar, carregar cargas e ajudá-los com suas tarefas diárias," disse o professor Wang Yifan, da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura.

Apesar de ter usado apenas polímeros e fabricado o material em uma impressora 3D, Yifan afirma que se inspirou nas antigas armaduras de cota de malha, que eram basicamente tecidos de metal, feitos com anéis entrelaçados.

"Para aumentar ainda mais a rigidez e resistência do material, estamos trabalhando agora em tecidos feitos de vários metais, incluindo alumínio, que podem ser usados para aplicações industriais em grande escala que requerem maior capacidade de carga, como pontes ou edifícios," afirmou ele.

As primeiras versões do tecido estruturado estão sendo feitas de polímero, mas a equipe já está trabalhando em versões feitas de metal.
[Imagem: Chiara Daraio/Caltech]

A ciência por trás do tecido interligado

O conceito científico por trás do tecido de rigidez variável é chamado de "transição de bloqueio". É uma transição na qual agregados de partículas sólidas mudam de um estado macio, semelhante a um fluido, para um estado rígido, semelhante a um sólido, com um ligeiro aumento na densidade de empacotamento. No entanto, as partículas sólidas típicas são geralmente muito pesadas e não fornecem resistência à tração suficiente para aplicações típicas dos tecidos, em objetos para vestir.

Os pesquisadores de Cingapura inovaram ao projetar o que eles chamam de partículas estruturadas, onde cada partícula é feita de estruturas ocas. Eles já testaram partículas na forma de anéis, ovais, quadrados, cubos, pirâmides e diferentes formas de octaedros, que são então interligados.

Essas estruturas, conhecidas como estruturas topologicamente interligadas, podem então ser usadas para criar uma malha de baixa densidade e alta rigidez à tração - e a impressão 3D permite juntar tudo numa uma única peça.

Depois de modelar o número médio de pontos de contato por partícula e quanto cada estrutura se dobrará em resposta à quantidade de tensão aplicada, a equipe verificou que, quando ajusta o formato das partículas, há uma compensação entre quanto peso as partículas terão e quanto o tecido poderá se dobrar. A modelagem permitiu equilibrar os dois fatores para obter o melhor desempenho.

Para adicionar uma forma de controlar a rigidez do tecido, a equipe encapsulou a cota de malha em um envelope plástico flexível e compactou os tecidos usando vácuo, como se usa nas embalagens de alimentos para congelamento. A pressão do vácuo aumenta a densidade de empacotamento das partículas, fazendo com que cada uma tenha mais contato com suas vizinhas.

Para o tecido à base de octaedros, isso resultou em uma estrutura 25 vezes mais rígida. Um pedaço plano do material embalado a vácuo conseguiu suportar uma carga de 1,5 kg, mais de 50 vezes o peso do próprio tecido.

Bibliografia:

Artigo: Structured fabrics with tunable mechanical properties
Autores: Yifan Wang, Liuchi Li, Douglas Hofmann, José E. Andrade, Chiara Daraio
Revista: Nature
Vol.: 596, pages 238-243
DOI: 10.1038/s41586-021-03698-7