High Bulk Modulus Pentamodes: the Three-Dimensional Metal Water

O som viaja através da água de uma forma que é distinta de como ele se move através de sólidos. Em um líquido como a água, o material resiste a ser espremido, mas oferece quase nenhuma resistência ao ser cisalhado ou deslizado lateralmente; ele flui facilmente. Em um metal sólido, o material resiste a ambos. Por décadas, cientistas tentaram construir estruturas artificiais que mimetizam o comportamento de líquidos, mas que são feitas de materiais sólidos. Essas estruturas, conhecidas como metamateriais, são projetadas com padrões minúsculos e repetitivos que lhes conferem propriedades não encontradas na natureza. O objetivo tem sido, há muito tempo, criar um sólido que atue exatamente como a água quando ondas sonoras passam por ele — um material que seja rígido o suficiente para manter sua forma, mas macio o suficiente para deixar o som fluir através dele como se fosse um líquido. Isso é particularmente importante para a tecnologia subaquática, onde o controle do som é essencial para a comunicação e navegação.

O desafio reside em uma contradição física. Para agir como a água, um material precisa ser muito difícil de comprimir (alto módulo de compressibilidade) mas muito fácil de deslizar (baixo módulo de cisalhamento). A maioria dos designs sólidos existentes que tentam mimetizar a água falha porque são ou muito macios para serem úteis ou muito rígidos para deixar o som passar corretamente. Eles frequentemente ficam aquém das propriedades acústicas da água real por uma margem significativa, tornando-se substitutos ruins para a coisa real. Pesquisadores têm trabalhado neste problema por anos, tentando encontrar uma forma geométrica para os blocos de construção minúsculos desses materiais que pudesse resolver esse equilíbrio.

Uma equipe de pesquisadores do Politecnico di Milano propôs agora uma solução que descrevem como o primeiro metamaterial que totalmente merece o nome "água metálica 3D". Eles projetaram uma estrutura tridimensional feita de metal que, no regime de baixa frequência, comporta-se acusticamente de uma forma indistinguível da água. A chave para o sucesso deles foi perceber que as formas anteriormente usadas para construir esses materiais eram fundamentalmente limitadas. Por anos, o design padrão baseou-se em elos com formato de cones duplos — dois cones unidos por suas pontas estreitas. Embora essas formas funcionassem bem em modelos bidimensionais, os pesquisadores descobriram que, em três dimensões, eles não consegravam alcançar a rigidez necessária sem se tornarem muito pesados ou muito rígidos. As pontas finas necessárias para tornar o material flexível também o tornavam muito fraco para resistir à compressão, impedindo-o de corresponder à densidade e à velocidade do som da água.

Para superar isso, a equipe abandonou o formato de cone duplo e buscou um tipo diferente de comportamento mecânico: a maneira como as cordas funcionam. Eles propuseram um novo design onde os elos de conexão na estrutura não são hastes sólidas únicas, mas feixes de muitos fios finos e paralelos. Em uma corda, os fios individuais podem deslizar uns sobre os outros quando a corda é dobrada, o que torna todo o feixe muito flexível a forças de flexão. No entanto, quando a corda é puxada em linha reta, todos os fios trabalham juntos para resistir ao puxão, tornando-a muito forte. Ao aplicar este princípio ao seu reticulado metálico, os pesquisadores criaram elos que são incrivelmente rígidos contra a compressão, mas quase completamente livres para deslizar lateralmente. Esta combinação específica permite que o material mantenha a alta resistência à compressão necessária para corresponder à água, enquanto mantém a resistência ao deslizamento tão baixa que o material se comporta como um fluido.

Os pesquisadores usaram simulações de computador para testar este novo design, confirmando que ele poderia alcançar um módulo de compressibilidade dois ordens de magnitude superior a tentativas anteriores, finalmente atingindo o nível da água real no regime de baixa frequência. Eles também descobriram que a estrutura cria uma lacuna específica em como ela lida com certos tipos de vibrações, efetivamente bloqueando ondas de cisalhamento enquanto permite a passagem de ondas de pressão. Isso significa que o som viaja através da sua estrutura metálica exatamente como faz através da água, sem as distorções indesejadas que normalmente ocorrem em materiais sólidos. Embora o design seja atualmente um modelo teórico e uma simulação de computador, os resultados sugerem que é possível fabricar um sólido que realmente atue como um líquido. Este avanço abre as portas para a criação de dispositivos acústicos avançados, como lentes ou capas, que podem manipular ondas sonoras em três dimensões com uma precisão que era anteriormente impossível.