doi.org/10.1073/pnas.2319160121
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#Material
O comportamento dos materiais granulares tem sido difícil de visualizar, mas um novo método revela suas forças internas em detalhes 3D.
Os materiais granulares, constituídos por pedaços individuais, sejam grãos de areia, grãos de café ou seixos, são a forma mais abundante de matéria sólida na Terra.
A forma como esses materiais se movem e reagem a forças externas pode determinar quando ocorrem deslizamentos de terra ou terremotos, bem como eventos mais mundanos, como a forma como o cereal fica entupido ao sair da caixa.
No entanto, analisar a forma como estes eventos de fluxo ocorrem e o que determina os seus resultados tem sido um verdadeiro desafio, e a maior parte da investigação tem-se limitado a experiências bidimensionais que não revelam a imagem completa de como estes materiais se comportam.
Agora, pesquisadores do MIT desenvolveram um método que permite experimentos 3D detalhados que podem revelar exatamente como as forças são transmitidas através de materiais granulares e como os formatos dos grãos podem alterar drasticamente os resultados.
O novo trabalho pode levar a melhores formas de compreender como os deslizamentos de terra são desencadeados, bem como como controlar o fluxo de materiais granulares em processos industriais.
As descobertas são descritas na revista PNAS em um artigo do professor de engenharia civil e ambiental do MIT, Ruben Juanes, e Wei Li SM ’14, PhD ’19, que agora faz parte do corpo docente da Stony Brook University.
Do solo e da areia à farinha e ao açúcar, os materiais granulares são onipresentes.
“É um item de uso diário, faz parte da nossa infraestrutura”, diz Li.
“Quando fazemos exploração espacial, nossos veículos espaciais pousam em material granular.
E a falha dos meios granulares pode ser catastrófica, como deslizamentos de terra.” “Uma descoberta importante deste estudo é que fornecemos uma explicação microscópica de por que um pacote de partículas angulares é mais forte do que um pacote de esferas”, diz Li.
Juanes acrescenta: “É sempre importante, num nível fundamental, compreender a resposta geral do material.
E posso ver que, daqui para frente, isso pode fornecer uma nova maneira de fazer previsões sobre quando um material irá falhar.” A compreensão científica destes materiais começou realmente há algumas décadas, explica Juanes, com a invenção de uma forma de modelar o seu comportamento através de discos bidimensionais que representam como as forças são transmitidas através de um conjunto de partículas.
Embora isso tenha proporcionado novos insights importantes, também enfrentou severas limitações.
Em trabalhos anteriores, Li desenvolveu uma forma de fabricar partículas tridimensionais por meio de uma técnica de moldagem por compressão que produz partículas plásticas livres de tensões residuais e que podem ser fabricadas em praticamente qualquer formato irregular.
Agora, nesta última pesquisa, ele e Juanes aplicaram este método para revelar as tensões internas em um material granular à medida que as cargas são aplicadas, em um sistema totalmente tridimensional que representa com muito mais precisão os materiais granulares do mundo real.
Essas partículas são fotoelásticas, explica Juanes, o que significa que, quando sob estresse, modificam a luz que passa por elas de acordo com a quantidade de estresse.
“Então, se você direcionar luz polarizada através dele e tensionar o material, poderá ver onde essa mudança de tensão está ocorrendo visualmente, na forma de uma cor e brilho diferentes no material.” Esses materiais são usados há muito tempo, diz Juanes, mas “uma das coisas principais que nunca foi realizada foi a capacidade de gerar imagens das tensões desses materiais quando eles estão imersos em um fluido, onde o fluido pode fluir através do material em si.” Ser capaz de fazer isso é importante, enfatiza ele, porque “meios porosos de interesse – meios porosos biológicos, meios porosos industriais e meios porosos geológicos – muitas vezes contêm fluido em seus espaços porosos, e esse fluido será transportado hidraulicamente através desses poros”.
E os dois fenômenos estão acoplados: como a tensão é transmitida e qual é a pressão do fluido nos poros.” O problema era que, ao usar uma coleção de discos bidimensionais para um experimento, os discos ficavam compactados de forma a bloquear completamente o fluido.
Somente com uma massa tridimensional de grãos sempre haveria caminhos para o fluido fluir, de modo que as tensões pudessem ser monitoradas enquanto o fluido estava em movimento.
Usando este método, eles conseguiram mostrar que “quando você comprime um material granular, essa força é transmitida na forma do que chamaríamos de cadeias, ou filamentos, que esta nova técnica é capaz de visualizar e representar em três dimensões”, diz Juanes.
Para obter essa visão 3D, eles usam uma combinação de fotoelasticidade para iluminar as cadeias de força, juntamente com um método chamado tomografia computadorizada, semelhante ao usado em tomografias computadorizadas médicas, para reconstruir uma imagem 3D completa a partir de uma série de 2.400 imagens planas tiradas, conforme o objeto gira 360 graus.
Como os grãos estão imersos em um fluido que possui exatamente o mesmo índice de refração dos próprios grãos de poliuretano, os grânulos ficam invisíveis quando a luz brilha através de seu recipiente, se não estiverem sob tensão.
Em seguida, a tensão é aplicada e, quando a luz polarizada brilha, isso revela as tensões como luz e cor, diz Juanes.
“O que é realmente notável e excitante é que não estamos a captar imagens do meio poroso.
Estamos imaginando as forças que são transmitidas através do meio poroso.
Acredito que isso abre uma nova maneira de interrogar as mudanças de tensão em materiais granulares.” Ele acrescenta que “este é realmente um sonho meu há muitos anos”, e diz que foi realizado graças ao trabalho de Li no projeto.
Usando o método, eles conseguiram demonstrar exatamente como é que os grãos irregulares e angulares produzem um material mais forte e estável do que os esféricos.
Embora isso fosse conhecido empiricamente, a nova técnica permite demonstrar exatamente o porquê disso, com base na forma como as forças são distribuídas, e tornará possível em trabalhos futuros estudar uma ampla variedade de tipos de grãos para determinar exatamente quais características são mais importante na produção de estruturas estáveis, como o lastro de leitos ferroviários ou o enrocamento em quebra-mares.
Como não houve maneira de observar as cadeias de força 3D em tais materiais, diz Juanes, “neste momento é muito difícil fazer previsões sobre quando ocorrerá um deslizamento de terra com precisão, porque não sabemos sobre a arquitetura da força.
correntes para diferentes materiais.” Levará algum tempo para desenvolver o método que permita fazer tais previsões, diz Li, mas isso, em última análise, poderá ser uma contribuição significativa desta nova técnica.
E muitas outras aplicações do método também são possíveis, mesmo em áreas aparentemente não relacionadas, como a forma como os ovos dos peixes respondem à medida que os peixes que os transportam se movem pela água, ou para ajudar a projetar novos tipos de garras robóticas que podem facilmente se adaptar à coleta de objetos de qualquer forma.
Publicado em 30/03/2024 19h43
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