quarta-feira, maio 23, 2012

Metafluidos sólidos prometem revolucionar a acústica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 19/05/2012
Nova classe de materiais sintéticos permitirá manipulações inéditas dos sons

Os metamateriais pentamodo comportam-se como um líquido - são metafluidos - o que os torna ideais para manipulação das ondas de som. [Imagem: Kadic et al./KIT]


Acústica transformacional

Cientistas alemães criaram uma nova classe de materiais que poderá mudar a forma como interagimos com os sons, tanto com os agradáveis, como a música, quanto com os desagradáveis barulhos.
A criação desse material inédito inaugura um novo campo de pesquisas, a chamada acústica transformacional, assim como existe uma óptica transformacional, muito conhecida graças aos trabalhos recentes na área de mantos da invisibilidade.
Entre as primeiras aplicações do metafluido, afirmam os pesquisadores, será possível construir camuflagens acústicas, como locais totalmente à prova de som, prismas acústicos e, sobretudo, conceitos totalmente novos no campo dos alto-falantes e da sonorização em geral.

Metafluido pentamodo

Para começar, é melhor se acostumar com o som do nome da "coisa": os cientistas criaram um metafluido cristalino estável feito de metamateriais pentamodo.
Não é tão complicado quanto parece.
O material se comporta com um fluido ideal, mas é sólido e estável - e isto explica toda a primeira parte do nome.
Ele foi feito com os já bem conhecidos metamateriais, aqueles dos mantos da invisibilidade.
A grande novidade é o pentamodo - mas isto já exige alguma introdução.
Esta nova classe de materiais, chamados pentamodos, foi prevista na teoria por Graeme Milton e Andrej Cherkaev, em 1995.
Mas poucos acreditavam que eles pudessem ser sintetizados na prática.
O Dr. Muamer Kadic e seus colegas do Instituto Karlsruhe de Tecnologia foram buscar a ponte sobre o Rubicão, segundo ele - uma referência à travessia histórica de Júlio César sobre esse rio - nos mesmos metamateriais que estão sendo usados para criar, além dos mantos de invisibilidade, camuflagens acústicas, escudos aquáticos e até proteções contra tsunamis.
Nova classe de materiais sintéticos permitirá manipulações inéditas dos sons
"Construir um metamaterial pentamodo é quase tão difícil quanto tentar construir um andaime de alfinetes que só podem se tocar em suas pontas," afirmou o pesquisador.

Ele não usou alfinetes, mas um polímero, manipulado em nanoescala para formar cadeias moleculares com o formato de um charuto.
O comportamento e as propriedades mecânicas do material final dependem inteiramente do tamanho dos nanocharutos e do ângulo no qual suas extremidades se tocam para formar a estrutura.

Acústica transformacional

Como, para ter utilidade prática, a estrutura deve ter a maior dimensão possível, o material acaba tendo a textura de um aerogel, altamente poroso - o polímero propriamente dito responde por menos de 1% da massa total.
"Para obter resultados 3D similares, como na óptica transformacional, a acústica transformacional depende exclusivamente dos metamateriais. Em vista disso, esse primeiro protótipo do nosso metamaterial pentamodo é um sucesso muito significativo," acrescentou Tiemo Bückmann, membro da equipe e quem teve a paciência de empilhar os "nanocharutos poliméricos".

Ele contou com a ajuda de uma técnica recente de nanoconstrução, chamada litografia a laser tridimensional, criada no mesmo instituto por Martin Wegener, que a tem usado em diversos feitos recentes no campo dos metamateriais ópticos, incluindo o primeiro manto da invisibilidade para luz visível e um escudo acústico.
Ou seja, com essa realização, será necessário passar a distinguir entre metamateriais ópticos e metamateriais acústicos.
Contudo, o conceito de um material pentamodo vai muito além, e poderão surgir novos usos e aplicações agora que se demonstrou que eles podem ser fabricados na prática.


Nova classe de materiais sintéticos permitirá manipulações inéditas dos sons
À esquerda o material pentamodo ideal previsto pelos teóricos. À direita, como os cientistas alemães sintetizaram seu metamaterial. [Imagem: Kadic et al./KIT]

O que são pentamodos?

O comportamento mecânico dos materiais - imagine o ferro e a água, como exemplos - é expresso em termos de parâmetros de compressão e de cisalhamento.
O fato de que é extremamente difícil comprimir a água no interior de um cilindro é descrito através do seu parâmetro de compressão.
Por outro lado, o fato de que a água pode ser agitada em todas as direções, simplesmente mergulhando e mexendo a mão em seu interior, é expresso através de parâmetros de corte, ou cisalhamento.
No caso da água, os cinco parâmetros de cisalhamento - daí o prefixo penta - igualam a zero, e apenas um parâmetro, a compressão, é diferente de zero.
Mas, no caso do ferro, você não vai conseguir mergulhar a mão em seu interior e agitá-lo, isto é, cortá-lo requer forças significativas. Assim, vários de seus parâmetros serão diferentes de zero.
Em termos de parâmetros, o estado ideal de um metamaterial pentamodo corresponde ao estado da água - é por isso que esse material é chamado de metafluido.
Teoricamente, pode-se obter qualquer propriedade mecânica concebível em um material apenas fazendo variar os parâmetros relevantes.
Construir o novo material é outra história, embora o feito agora demonstrado pelos pesquisadores alemães comprove que fazer andaimes de alfinetes pode não ser tão difícil assim.

Bibliografia:

On the practicability of pentamode mechanical metamaterials
Muamer Kadic, Tiemo Buckmann, Nicolas Stenger, Michael Thiel, Martin Wegener
Applied Physics Letters
Vol.: 100 (19): 191901
DOI: 10.1063/1.4709436
http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1203/1203.1481.pdf
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