Os fios conduzem sinais elétricos para controlar a direção e a intensidade das ondas de energia que passam pelo material sólido.
[Imagem: University of Missouri]

Os metamateriais ganharam sua fama e sua importância científica e tecnológica por sua própria definição: São materiais artificiais, ou seja, produzidos pelo homem, que apresentam propriedades e características não encontradas em nenhum material natural.

Assim, eles nunca ligaram muito para as mais tradicionais leis da física, como em sua conhecida desobediência à refração - eles têm refração negativa. Além disso, há metamateriais que podem esticar quando são comprimidos, geram ondas de som transversais, criam buracos negros em laboratório e muito mais.

Agora eles encararam de frente a segunda lei de Newton, que descreve como as maçãs caem das árvores e os satélites artificiais permanecem em órbita.

Qian Wu e colegas da Universidade do Missouri, nos EUA, desenvolveram um metamaterial que usa sinais elétricos para controlar a direção e a intensidade das ondas de energia que passam por um material sólido.

O resultado é um material no qual você aplica a força numa direção e o movimento resultante se dá noutra direção.

"Este metamaterial tem densidade de massa ímpar. Com isso, a força e a aceleração não estão indo na mesma direção, dando-nos assim uma maneira não convencional de personalizar o projeto da dinâmica estrutural de um objeto, ou propriedades para desafiar a segunda lei de Newton," disse o professor Guoliang Huang, cuja equipe já havia desenvolvido metamateriais ativos, que podem ser ligados e desligados, e materiais artificiais capazes de sentir, decidir e agir.

O estranho comportamento do material ativo (direita) em comparação com os materiais naturais (esquerda).
[Imagem: Qian Wu et al. - 10.1073/pnas.2209829120]

Densidade de massa ímpar

Esta é a primeira realização física de um material cuja densidade de massa não obedece ao padrão dessa propriedade.

A densidade de um corpo é definida como o quociente entre a massa e o volume desse corpo. Mas, explicam os pesquisadores, o metamaterial possui um tensor que não é simétrico, e cuja parte assimétrica surge de forças ativas e não conservativas. E é isso que faz com que ele interaja com as ondas de forma totalmente "antinatural".

"A densidade de massa ímpar é realizada usando metamateriais com ressonadores internos conectados por um controle de avanço assimétrico e programável sobre a aceleração e as forças ativas ao longo das duas direções perpendiculares. As forças ativas produzem termos de acoplamento de densidade de massa fora da diagonal, levando à não-hermicidade," explicou Wu.

A não-hermicidade à qual o pesquisador se refere diz respeito à falta de conservação da energia das ondas; em mecânica, isso pode acontecer com estruturas apresentando dissipação ou perda de energia devido ao emprego de transdutores.

O desafio da segunda lei de Newton foi cuidadosamente aferido pela equipe.
[Imagem: Qian Wu et al. - 10.1073/pnas.2209829120]

Usos práticos

O protótipo construído pela equipe usa sinais elétricos transportados por fios para controlar a direção e a intensidade das ondas de energia que passam pelo material sólido ao qual esses eletrodos estão acoplados.

As aplicações potenciais desse design inovador incluem controlar ondas de radar, direcionando-as para a varredura de uma área específica em busca de objetos, ou gerenciar a vibração criada pela turbulência do ar de uma aeronave em voo.

Mas há muitos outras possibilidades de uso.

"Por exemplo, esse metamaterial pode ser benéfico para monitorar a saúde de estruturas civis, como pontes e dutos, como transdutores ativos, ajudando a identificar qualquer dano potencial que possa ser difícil de ver a olho nu," disse Huang.