Hastes torcidas armazenam quantidades enormes de energia

Mecnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 03/04/2025

Materiais mecnicos artificiais

J sabamos que torcer o ao o torna mais forte e mais resistente e que estruturas torcidas fazem msculos artificiais muito eficientes, mas agora podemos ter dado um verdadeiro salto no uso da toro como uma nova forma de armazenamento de energia.

As estrelas desta inovao so os metamateriais mecnicos. Os metamateriais, materiais artificiais cujas propriedades dependem de sua estrutura fsica, e no de sua composio qumica, tm sido mais comumente projetados para lidar com ondas eletromagnticas, mas o conceito muito mais verstil do que isso, podendo ser usados desde a gerao de energia at formas alternativas de computao ou uma forma de matria reprogramvel.

Xin Fang e colegas do Instituto Karlsruhe de Tecnologia, na Alemanha, juntaram as duas coisas, fazendo um metamaterial mecnico usando unidades torcidas, o que permitiu atingir uma densidade de energia elstica muito elevada.

Hastes altamente torcidas, que se deformam helicoidalmente, do a esses metamateriais uma alta rigidez e permitem que eles absorvam e liberem grandes quantidades de energia elstica.

O armazenamento de energia mecnica necessrio para muitas tecnologias – basta pensar nas molas, amortecedores e hastes flexveis que trabalham tensionadas; elas esto por toda parte, trabalhando na absoro de energia, no armazenamento de energia mecnica, na robtica e devero ser importantes nas novas tecnologias de armazenamento de energias renovveis.

E os metamateriais mecnicos demonstrados agora podem aumentar a eficincia de todas essas tecnologias e viabilizar usos totalmente novos.

Alguns dos prottipos construdos pela equipe usando polmeros.
[Imagem: Xin Fang et al. – 10.1038/s41586-025-08658-z]

Entalpia

Os novos metamateriais torcidos permitem que a energia cintica, ou seja, energia de movimento ou o trabalho mecnico correspondente, seja convertida em energia elstica, ou seja, armazenada, podendo ser liberada novamente quando necessrio.

“A dificuldade combinar propriedades conflitantes: Alta rigidez, alta resistncia e grande deformao recupervel,” disse o professor Peter Gumbsch.

A caracterstica chave aqui a entalpia, a densidade de energia que pode ser armazenada e recuperada de cada elemento do material. Os elementos individuais de um metamaterial so comumente chamados de meta-tomos, e o grande feito da equipe foi justamente projetar esses tomos artificiais para obter o maior rendimento possvel.

“Primeiramente, detectamos um mecanismo para armazenar uma grande quantidade de energia em uma haste redonda simples sem quebr-la ou deform-la permanentemente,” contou Gumbsch. “Ao definir um arranjo inteligente das hastes, ento integramos esse mecanismo em um metamaterial.”

Meta-tomos usados para construir essa evoluo das molas.
[Imagem: Xin Fang et al. – 10.1038/s41586-025-08658-z]

Molas 2.0

Em uma mola de flexo comum, a deformao mxima limitada pelas altas tenses de trao e compresso que ocorrem nas superfcies superior e inferior, que leva quebra ou a uma deformao plstica permanente. Nessas molas, as tenses em todo o volume interno so muito baixas.

No entanto, se uma haste for torcida, toda a sua superfcie tambm ser exposta a altas tenses, mas o volume interno sob baixas tenses ser consideravelmente menor. Para tirar proveito total desse mecanismo, a toro deve ser to alta que resulte em uma deformao helicoidal complexa.

O que os pesquisadores conseguiram foi integrar essas hastes carregadas torcionalmente e deformadas helicoidalmente em um metamaterial que pode ser usado macroscopicamente sob cargas uniaxiais. O resultado uma elevada rigidez e, portanto, uma capacidade de absorver foras muito maiores do que as molas comuns.

Alm disso, a entalpia do novo metamaterial de 2 a 160 vezes maior do que a de outros metamateriais mecnicos com estruturas quirais espelhadas que foram testados pela equipe para comparao.

“Nossos novos metamateriais, com sua alta capacidade de armazenamento de energia elstica, tm o potencial de serem usados em vrias reas no futuro, onde tanto o armazenamento eficiente de energia quanto propriedades mecnicas excepcionais so necessrias,” concluiu Gumbsch.

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