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Jan 11, 2024

Manipulações seletivas complexas de matéria termomagnética programável

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 20767 (2022) Citar este artigo

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A matéria programável pode mudar sua forma, rigidez ou outras propriedades físicas sob comando. Trabalhos anteriores mostraram matéria opticamente controlada sem contato ou atuação magnética, mas a primeira é limitada em força e a segunda em resolução espacial. Aqui, mostramos um nível de controle sem precedentes combinando padrões de luz e campos magnéticos. Uma mistura de pó termoplástico e ferromagnético é aquecida em locais específicos que se tornam maleáveis ​​e são atraídos por campos magnéticos. Essas áreas aquecidas solidificam no resfriamento e o processo pode ser repetido. Mostramos o controle complexo de lajes 3D, folhas 2D e filamentos 1D com aplicações em exibições táteis e manipulação de objetos. Devido à baixa temperatura de transição e à possibilidade de uso de aquecimento por micro-ondas, o composto pode ser manipulado no ar, na água ou no interior de tecidos biológicos, tendo o potencial de revolucionar dispositivos biomédicos, robótica ou tecnologias de exibição.

A matéria programável pode mudar de forma, densidade, módulos ou outras propriedades físicas de maneira programática1. Essas mudanças são controladas externamente ou desencadeadas por detecção e processamento embutidos no material2. As duas principais abordagens para implementar a matéria programável são: robôs modulares3, que fornecem mais inteligência; e atuação externa4, que produz maior resolução espacial e escalabilidade. A matéria programável possui aplicações inovadoras nos campos da engenharia e da medicina, mas a granularidade que pode ser alcançada em suas manipulações ainda é significativamente limitada.

A luz tem sido usada como um método de atuação externa. Materiais combinados com azobencenes5 são acionados quando iluminados. Por exemplo, acionando o movimento quando um objeto reflexivo ou opaco se aproxima do material6, ou permitindo a locomoção em filamentos e cilindros quando iluminados com padrões dinâmicos de luz7. Por outro lado, o calor gerado pela luz pode mover pequenos objetos na superfície da água devido a gradientes de temperatura8 ou mudar de fase em ligas com memória de forma9. A atuação com luz ou seu efeito térmico tem alta resolução espacial dada a tecnologia existente para projetar imagens, porém a força de atuação é relativamente fraca e após a atuação todo o material retorna ao seu estado inicial ou mantém um estado irreversível. Além disso, a luz não pode passar através de materiais opacos.

Os campos magnéticos são outra forma de controlar a matéria à distância. Um fio flexível de polímero contendo pó magnético pode ser dirigido remotamente para navegar em ambientes contorcidos10, folhas de materiais flexíveis incorporadas com partículas ferromagnéticas ou magnéticas podem ser transladadas e flexionadas de maneira controlada para locomoção11,12, um tapete feito de cílios magnéticos pode ser acionado para controlar os objetos que estão em cima dele13, e o lodo magnético pode ser movido magneticamente para prender e transportar outros objetos14. A atuação magnética é forte e pode passar por materiais não metálicos, mas não é possível ter alta resolução espacial, pois os campos magnéticos não permanecem focados à distância. Para melhor controle, a atração ou repulsão magnética sobre o material pode ser modulada aquecendo-o até sua temperatura Curie, seja por luz15 ou por indução eletromagnética16, mas esses métodos são aplicados em toda a superfície, não permitindo manipulação fina. O metal líquido pode ser transladado em gotículas17 por campos magnéticos externos, e quando combinados em uma pasta magnetoreológica pode também alterar a rigidez18, servindo como conexão elétrica dinâmica em circuitos reconfiguráveis.

Aqui, mostramos níveis sem precedentes de manipulação de matéria de controle usando uma combinação de padrões espaciais térmicos e atuação magnética em um material composto feito de uma matriz de termoplástico reversível de baixa temperatura (Policaprolactona, PCL) misturado com pó ferromagnético (partículas de ferro), veja " Métodos" "Mistura de compostos".