Força mecânica com um simples toque num botão
As superpartículas ativáveis magneticamente convertem o calor em trabalho e são capazes de levantar 25 000 vezes o seu próprio peso
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As nanopartículas magnéticas podem ser aquecidas sem contacto. Investigadores da Universidade Friedrich-Alexander de Erlangen-Nuremberga (FAU), em colaboração com investigadores da Universidade de Helsínquia, estão agora a aproveitar este efeito para gerar forças mecânicas: suspartículas com dimensões da ordem dos micrómetros convertem o calor gerado por um campo magnético variável em pressão de gás e expansão volumétrica. Apenas 20 miligramas deste material são suficientes para levantar uma massa de 500 gramas.
O calor transforma-se em trabalho mecânico
As nanopartículas magnéticas conseguem converter eficientemente a energia eletromagnética em calor. Quando expostas a um campo alternado de alta frequência, a sua temperatura aumenta drasticamente num curto espaço de tempo. Este princípio do aquecimento indutivo está a ser estudado para o tratamento térmico sem contacto de materiais.
A equipa liderada por Karl Mandel, da Cátedra de Química de Materiais Baseados em Partículas, segue uma abordagem diferente: as nanopartículas magnéticas são combinadas com um segundo componente que reage ao calor gerado com uma expansão. Através da secagem por pulverização, formam-se suprapartículas com dimensões da ordem dos micrómetros, nas quais a fonte de calor e o componente funcional estão diretamente ligados entre si.
Quando é aplicado um campo magnético alternado, as nanopartículas aquecem-se. O calor gerado localmente desencadeia, então, uma rápida formação de gás ou evaporação no interior das suprapartículas. A pressão resultante leva à expansão – e pode realizar trabalho mecânico.
Dois mecanismos diferentes
Para tal, os investigadores desenvolveram dois sistemas.
No primeiro sistema, é utilizada a azodicarbonamida (ADCA). O material atua como propulsor químico e decompõe-se quando aquecido, com rápida libertação de gás. Como o calor é gerado diretamente pelas nanopartículas magnéticas adjacentes, é possível que se forme uma grande quantidade de gás em menos de um segundo. A pressão provoca a ruptura da estrutura das superpartículas.
O segundo sistema baseia-se num polímero superabsorvente de poli(acrilamida-co-ácido acrílico). Este polímero absorve inicialmente água. Após uma secagem subsequente, parte da água permanece ligada de forma sólida à estrutura do polímero. Com o aquecimento indutivo, esta evapora. Como o vapor de água, inicialmente, não consegue escapar do polímero com rapidez suficiente, a pressão interna aumenta e o material expande-se fortemente.
Os dois sistemas apresentam, assim, reações diferentes ao mesmo estímulo externo: enquanto o sistema ADCA liberta sobretudo grandes quantidades de gás rapidamente, o sistema superabsorvente conduz a uma expansão volumétrica macroscópica significativa.
20 miligramas levantam 500 gramas
Os investigadores demonstraram a magnitude das forças resultantes através de uma simples experiência de elevação. 20 miligramas de superpartículas conseguiram levantar uma massa de 500 gramas – o que corresponde a 25 000 vezes a massa do material utilizado.
Ativação à distância
Uma vantagem essencial do sistema é a ativação sem contacto. As superpartículas não necessitam nem de uma ligação elétrica nem de uma fonte de calor direta. Basta um campo magnético externo alternado para desencadear a expansão.
Neste contexto, não é apenas a temperatura atingida que importa. É também decisivo a rapidez com que as nanopartículas magnéticas geram calor. Só se o calor for gerado com rapidez suficiente é que se pode acumular pressão suficiente no interior das suprapartículas, antes que o gás ou o calor se percam para o ambiente. Por outro lado, um aquecimento lento ou uniforme, por exemplo, num forno, não provoca a mesma reação.
Os investigadores conseguiram ainda demonstrar que a temperatura máxima pode ser influenciada pela escolha das nanopartículas magnéticas. Assim, por exemplo, além das nanopartículas com taxa de aquecimento máxima, também podem ser utilizadas nanopartículas de ferrite de zinco-cobalto, cuja temperatura de Curie mais baixa limita a temperatura máxima atingível. Desta forma, a ativação pode ser realizada de forma mais controlada, evitando danos ao ambiente.
A resina epóxi pode ser quebrada de forma seletiva
Este conceito reveste-se de particular interesse para materiais que, normalmente, são difíceis de separar. Por isso, os investigadores integraram as suprapartículas numa matriz de resina epóxi.
Ao endurecerem, as resinas epóxi formam estruturas reticuladas permanentes que não podem ser facilmente dissolvidas ou deformadas. No entanto, quando as suprapartículas incorporadas são expostas a um campo magnético alternado, geram localmente pressão de gás ou expansão volumétrica. As tensões mecânicas assim geradas podem quebrar a resina epóxi. Nas experiências, foi possível destruir o compósito no espaço de, no máximo, dez segundos.
Assim, as suprapartículas ativáveis magneticamente poderão, no futuro, revelar-se interessantes, por exemplo, para o «descolamento a pedido», a desmontagem de materiais compósitos ou a libertação seletiva de componentes individuais. Especialmente no caso de materiais com estruturas reticuladas de forma permanente, essa ativação mecânica desencadeada localmente e sem contacto poderia abrir novas possibilidades.
Atuadores microscópicos para materiais adaptativos
O trabalho apresenta, assim, uma nova abordagem para utilizar nanopartículas magnéticas não apenas como fontes de calor, mas também como componentes de atuadores microscópicos. Um campo magnético externo desencadeia uma cadeia de processos: as nanopartículas geram calor, que ativa uma expansão química ou física, e a pressão resultante é convertida em trabalho mecânico.
A combinação de ativação sem contacto, reação rápida e elevada força em relação à massa do material poderá revelar-se interessante no futuro para materiais adaptativos, ligações de materiais comutáveis e atuadores microscópicos. Os investigadores vêem, em particular, potencial para sistemas em que as funções mecânicas devam ser acionadas sem cabos e sem acesso direto ao material.
O estudo «Inductively Expandable Supraparticles as Microscopic Force Generators for Remote Mechanical Actuation», da autoria de Leoni Luthardt, Stephan Müssig, Robert Luxenhofer e Karl Mandel, foi publicado na revista científica «Advanced Materials».
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Alemão pode ser encontrado aqui.
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