Evolução das molas: Hastes torcidas armazenam quantidades enormes de energia

Redação do Site Inovação Tecnológica - 03/04/2025

Armazenamento mecânico de energia: Resultados experimentais de metamateriais quirais e não quirais.
[Imagem: Xin Fang et al. - 10.1038/s41586-025-08658-z]

Materiais mecânicos artificiais

Já sabíamos que torcer o aço o torna mais forte e mais resistente e que estruturas torcidas fazem músculos artificiais muito eficientes, mas agora podemos ter dado um verdadeiro salto no uso da torção como uma nova forma de armazenamento de energia.

As estrelas desta inovação são os metamateriais mecânicos. Os metamateriais, materiais artificiais cujas propriedades dependem de sua estrutura física, e não de sua composição química, têm sido mais comumente projetados para lidar com ondas eletromagnéticas, mas o conceito é muito mais versátil do que isso, podendo ser usados desde a geração de energia até formas alternativas de computação ou uma forma de matéria reprogramável.

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

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

O armazenamento de energia mecânica é necessário para muitas tecnologias - basta pensar nas molas, amortecedores e hastes flexíveis que trabalham tensionadas; elas estão por toda parte, trabalhando na absorção de energia, no armazenamento de energia mecânica, na robótica e deverão ser importantes nas novas tecnologias de armazenamento de energias renováveis.

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

Alguns dos protótipos construídos pela equipe usando polímeros.
[Imagem: Xin Fang et al. - 10.1038/s41586-025-08658-z]

Entalpia

Os novos metamateriais torcidos permitem que a energia cinética, ou seja, energia de movimento ou o trabalho mecânico correspondente, seja convertida em energia elástica, ou seja, armazenada, podendo ser liberada novamente quando necessário.

"A dificuldade é combinar propriedades conflitantes: Alta rigidez, alta resistência e grande deformação recuperável," disse o professor Peter Gumbsch.

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

"Primeiramente, detectamos um mecanismo para armazenar uma grande quantidade de energia em uma haste redonda simples sem quebrá-la ou deformá-la permanentemente," contou Gumbsch. "Ao definir um arranjo inteligente das hastes, então integramos esse mecanismo em um metamaterial."

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

Molas 2.0

Em uma mola de flexão comum, a deformação máxima é limitada pelas altas tensões de tração e compressão que ocorrem nas superfícies superior e inferior, que leva à quebra ou a uma deformação plástica permanente. Nessas molas, as tensões em todo o volume interno são muito baixas.

No entanto, se uma haste for torcida, toda a sua superfície também será exposta a altas tensões, mas o volume interno sob baixas tensões será consideravelmente menor. Para tirar proveito total desse mecanismo, a torção deve ser tão alta que resulte em uma deformação 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 é uma elevada rigidez e, portanto, uma capacidade de absorver forças muito maiores do que as molas comuns.

Além disso, a entalpia do novo metamaterial é de 2 a 160 vezes maior do que a de outros metamateriais mecânicos com estruturas quirais espelhadas que foram testados pela equipe para comparação.

"Nossos novos metamateriais, com sua alta capacidade de armazenamento de energia elástica, têm o potencial de serem usados em várias áreas no futuro, onde tanto o armazenamento eficiente de energia quanto propriedades mecânicas excepcionais são necessárias," concluiu Gumbsch.

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