Cientistas do Instituto Indiano de Tecnologia (IIT) em Kharagpur criaram uma ferramenta matemática rápida que permite prever a capacidade de materiais autorregenerativos consertarem danos autonomamente. Este desenvolvimento simplifica significativamente o trabalho dos engenheiros envolvidos no projeto de materiais duráveis.
Materiais autorregenerativos ou 'inteligentes', inspirados em sistemas biológicos como o processo de formação de crosta após um corte, são projetados para restaurar sua resistência mecânica após um trauma. Tradicionalmente, esses materiais contêm cápsulas microscópicas ou pequenos sistemas circulatórios preenchidos com um agente regenerador líquido. Quando ocorre uma fissura e rompe esses microcanais, o líquido entra na lacuna e solidifica, colando o material de volta.
Este processo de preenchimento de fissuras depende do efeito capilar — a absorção natural de líquido. No entanto, essa força natural se mostra insuficiente para preencher grandes áreas danificadas ou garantir a entrega múltipla de líquido no mesmo local.
Para superar essa limitação, engenheiros modernos começaram a aplicar pressão ao líquido dentro dessas redes microscópicas. Em um estudo recentemente publicado, os cientistas se concentraram em elastômeros — polímeros elásticos semelhantes a borracha, permeados por canais cilíndricos paralelos preenchidos com líquido regenerador. Antes do uso do material, a borda externa dessa matriz de borracha é comprimida, criando pressão no líquido aprisionado.
Ao ocorrer um dano grave, como um corte repentino nos canais, a pressão é liberada abruptamente. A borracha comprimida retorna bruscamente à sua forma original, atuando como uma bomba que ejeta rapidamente o líquido regenerador dos canais diretamente para a área danificada.
Calcular com precisão a quantidade e a velocidade do líquido que flui é extremamente complexo, pois requer conhecimento de um campo físico sofisticado conhecido como interação fluido-estrutura. As paredes dos minúsculos canais alteram ativamente sua forma e se comprimem à medida que o líquido se move, afetando a velocidade do fluxo. Para resolver este problema, a equipe de pesquisadores propôs uma base matemática baseada na lei da conservação de energia.
Eles calcularam a energia armazenada na borracha comprimida, chamada energia elástica, e a compararam matematicamente com a energia perdida por atrito durante a saída do líquido viscoso do canal. Ao rastrear como a interface borracha-líquido relaxa com o tempo, eles puderam determinar a taxa e o volume exatos de entrega do líquido.
Anteriormente, os cientistas dependiam de programas de computador tridimensionais complexos e muito intensivos em recursos para simular esses processos dinâmicos. A execução de um único experimento virtual exigia imensos recursos computacionais e tempo. O novo método matemático atinge a alta precisão necessária, mas opera pelo menos mil vezes mais rápido do que as simulações numéricas correspondentes.
Isso permite que os engenheiros alterem instantaneamente variáveis, como o raio dos microcanais, a rigidez da borracha ou a espessura do líquido, para observar o comportamento do material em condições reais, economizando inúmeras horas de pesquisa e desenvolvimento.
No entanto, o modelo matemático possui algumas limitações relacionadas às simplificações feitas na física complexa. Atualmente, o framework pressupõe que o agente regenerador é um fluido newtoniano padrão, ou seja, flui uniformemente, como água, e não engrossa sob tensão, como ketchup. Também se assume que a matriz de borracha circundante é perfeitamente homogênea e se comporta de maneira elástica e linear. Além disso, a matemática se baseia na suposição de que certas partes do canal se estreitam em uma linha uniforme à medida que o líquido sai, o que foi verificado pelos pesquisadores com base em modelos de computador iniciais.
Apesar disso, a aplicação prática desta ferramenta de alta velocidade para projeto é ampla e extremamente útil. Materiais poliméricos são usados em todos os lugares devido à sua leveza e capacidade de ajuste, mas estão sujeitos a microfissuração e fadiga imperceptíveis com o tempo. Se uma fissura oculta aparecer em uma pá de turbina eólica ou em um componente estrutural de aeronave comercial, isso pode levar a uma falha catastrófica súbita, colocando vidas em risco.
Graças ao fato de ter se tornado muito mais fácil e rápido desenvolver materiais autorregenerativos resistentes e pressurizados, esta pesquisa abre caminho para componentes aeroespaciais mais seguros, eletrônicos mais duráveis e infraestrutura mais resiliente. A modelagem rápida e precisa de seu comportamento pode reduzir custos financeiros, diminuir o lixo plástico industrial e aliviar a carga geral da humanidade sobre o meio ambiente.
