How Does Hard Magnetic Soft Matter Deform?

Imagine um material que pode dobrar, torcer e enrugar sob comando, não porque é alimentado por fios ou baterias, mas porque reage a um campo magnético. Esta é a promessa dos materiais macios de magnetismo duro, uma classe de substâncias que combinam a flexibilidade da borracha com a força magnética persistente de ímãs de terras raras. Dentro desses blocos macios existem minúsculas partículas magnéticas rígidas que mantêm uma direção magnética fixa, tal como uma agulha de bússola que nunca esquece para onde fica o norte. Quando um campo magnético externo é aplicado, estas partículas incorporadas tentam alinhar-se com ele, exercendo uma força de torção na borracha circundante. Este cabo de guerra interno faz com que todo o material se contorça em formas complexas, permitindo a criação de robôs sem cabos, ferramentas médicas flexíveis e lentes adaptativas que podem mudar de forma sem qualquer ligação física a uma fonte de energia.

Para que os engenheiros possam projetar estes dispositivos, devem ser capazes de prever exatamente como o material se moverá. Isto requer a compreensão de um quebra-cabeça mecânico específico: quando a borracha macia é esticada ou sofre um cisalhamento, como é que as partículas magnéticas rígidas no seu interior rodam? A resposta não é óbvia. Se as partículas rodarem de uma forma, o dispositivo pode dobrar-se como pretendido; se rodarem de forma diferente, o dispositivo poderá não fazer nada. Durante anos, os cientistas confiaram em diferentes regras matemáticas para adivinhar esta rotação, mas estas regras frequentemente discordavam entre si, levando a previsões conflitantes sobre como o material se comportaria sob tensão. Algumas regras sugeriam que as partículas simplesmente seguiriam o estiramento geral do material, enquanto outras argumentavam que elas apenas girariam com base na direção do estiramento, ignorando a forma das próprias partículas.

Num novo estudo publicado na PNAS Nexus, investigadores resolveram este debate de longa data construindo um novo quadro teórico do zero. Em vez de adivinharem como as partículas se movem, eles calcularam a forma mais energeticamente eficiente para uma partícula rígida rodar dentro de uma matriz macia em estiramento. Trataram o problema como uma busca pelo caminho de menor resistência, equilibrando a energia necessária para esticar a borracha contra a energia necessária para rodar a partícula. Ao utilizarem um método que interpola o movimento rígido da partícula e o estiramento suave do material circundante, derivaram uma regra única e clara que descreve exatamente como a partícula gira. Esta nova regra leva em conta a forma da partícula e o seu ângulo inicial, fatores que os modelos anteriores tinham ignorado ou tratado incorretamente.

Os investigadores testaram a sua nova regra contra simulações computacionais que modelavam o material com detalhe extremo, decompondo-o em milhares de pontos minúsculos para ver exatamente como se deformava. Descobriram que a sua nova regra correspondia a estas simulações detalhadas com elevada precisão, enquanto as regras antigas e concorrentes falhavam frequentemente. Em particular, o estudo mostrou que a ideia popular de que as partículas apenas rodam com base na direção geral do estiramento é fundamentalmente falha. Os investigadores demonstraram que, se uma partícula tiver a forma de uma elipse em vez de um círculo, e estiver inclinada num ângulo, ela irá rodar significativamente mesmo quando o material está a ser simplesmente puxado numa linha reta. Os modelos antigos, que assumiam que a partícula não rodaria num cenário como esse, previam que o material permaneceria estático, perdendo o sentido principal de como estes dispositivos magnéticos funcionam.

Uma das descobertas mais significativas é que os modelos conflitantes utilizados pelos cientistas no passado não estão, na verdade, errados em todas as situações; são apenas versões especiais e limitadas desta nova regra mais geral. Quando as partículas magnéticas são perfeitamente redondas, ou quando o material é esticado de uma forma muito específica, a nova regra simplifica-se para coincidir com as previsões mais antigas. No entanto, para a vasta maioria das formas e ângulos do mundo real, as regras antigas falham. A nova abordagem revela que a forma da partícula é tão importante quanto a força aplicada a ela. Uma partícula longa e fina comportar-se-á de forma muito diferente de uma redonda, e a nova fórmula captura essa diferença precisamente. Isto significa que os engenheiros podem agora projetar robôs macios com muito mais confiança, sabendo exatamente como as partículas magnéticas internas se orientarão à medida que o dispositivo se move.

O estudo também destacou uma falha crítica nos modelos mais antigos quando aplicados a cenários do mundo real. Num teste em que um campo magnético foi aplicado a um material com partículas elípticas inclinadas, os modelos antigos previram que o material não se moveria, sugerindo efetivamente que a força magnética não tinha efeito sobre a forma. O novo modelo, porém, previu corretamente que o material se deformaria e rodaria, alinhando-se com a realidade física de que as forças magnéticas devem causar movimento. Esta distinção é vital para o futuro da robótica macia. Se um designer utilizar um modelo que prevê a ausência de movimento, poderá construir um dispositivo que nunca ativa. Ao utilizar a regra nova e mais precisa, os designers podem criar dispositivos que convertem de forma fiável a energia magnética em movimento complexo e controlado, abrindo as portas para máquinas macias mais sofisticadas e capazes para a medicina e exploração.

Em última análise, este trabalho fornece uma forma unificada de compreender como a matéria macia de magnetismo duro se deforma. Substitui uma coleção de palpites conflitantes por uma única lei baseada na física que funciona numa ampla gama de formas e condições. Os investigadores demonstraram que, ao focar-se no equilíbrio energético entre a borracha em estiramento e a partícula em rotação, conseguiram derivar uma expressão de forma fechada que prevê o movimento das inclusões magnéticas. Esta expressão é suficientemente simples para ser usada em software de design, mas precisa o suficiente para corresponder a simulações computacionais detalhadas. O resultado é um caminho mais claro para a criação da próxima geração de dispositivos macios programáveis e sem fios, garantindo que os materiais que construímos se comportarão exatamente como pretendemos quando o campo magnético for ligado.