Manipulações seletivas complexas de matéria programável termomagnética

Jan 24, 2024

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 20767 (2022) Citar este artigo

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A matéria programável pode mudar sua forma, rigidez ou outras propriedades físicas mediante comando. Trabalhos anteriores mostraram matéria controlada opticamente 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 ao esfriar e o processo pode ser repetido. Mostramos controle complexo de placas 3D, folhas 2D e filamentos 1D com aplicações em telas táteis e manipulação de objetos. Devido à baixa temperatura de transição e à possibilidade de utilização de aquecimento por microondas, 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 alterar forma, densidade, módulos ou outras propriedades físicas de forma programática1. Essas mudanças são controladas externamente ou desencadeadas por detecção e processamento incorporados no material2. As duas principais abordagens para a implementação de matéria programável são: robôs modulares3, que fornecem mais inteligência; e atuação externa4, que proporciona maior resolução espacial e escalabilidade. A matéria programável possui aplicações inovadoras nas áreas de engenharia e medicina, mas a granularidade que pode ser alcançada em suas manipulações ainda é significativamente limitada.

A luz tem sido usada como método de atuação externa. Materiais combinados com azobencenos5 são acionados quando iluminados. Por exemplo, desencadeando movimento quando um objeto reflexivo ou opaco se aproxima do material6, ou permitindo a locomoção em filamentos e cilindros quando iluminados com padrões de luz dinâmicos7. 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 possui 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 consegue 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 direcionado remotamente para navegar em ambientes contorcidos10, folhas de materiais flexíveis incrustadas com partículas ferromagnéticas ou magnéticas podem ser transladadas e flexionadas de forma 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 capturar e transportar outros objetos14. A atuação magnética é forte e pode passar através de materiais não metálicos, mas não é possível ter alta resolução espacial, uma vez que 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 indução eletromagnética16, porém esses métodos são aplicados em toda a superfície não permitindo manipulação fina. O metal líquido pode ser traduzido em gotículas17 por campos magnéticos externos, e quando combinados em uma pasta magnetoreológica também pode alterar a rigidez18, servindo como conexão elétrica dinâmica em circuitos reconfiguráveis.

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