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imagine uma casa que cabe na mochila ou uma parede que se pode tornar uma janela com um estalido ou um interruptor. Pesquisadores de Harvard desenharam um novo tipo de material dobrável que é versátil, sintonizável e auto-accionável. Pode mudar de tamanho volume e forma; pode dobrar-se e ficar liso ao ponto de aguentar o peso de um elefante sem quebrar, e voltar imediatamente à forma volumosa anterior e preparado para a próxima tarefa.

Os pesquisadores foram liderados por Katia Bertoldi, John L. Loeb Professor da Ciências Naturais na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson (SEAS), James Weaver, Cientistano Instituto Wyss da Engenharia de Inspiração Biológica na Universidade de Harvard e Chuck Hoberman, da Graduate School of Design. É assim descrito na Nature Communications.

'Desenhámos uma estrutura fina, tri-dimensional que pode ser usada para tornar objectos dobráveis e reprogramáveis de arquitectura arbitrária, cuja forma, volume e dureza pode ser dramaticamente alterada e continuamente sintonizada e controlada,' diz Johannes T. B. Overvelde, estudante graduado no Laboratório Bertoldie autor do artigo.

A estrutura é inspirada por uma técnica do origami chamada de snapologia, e é feita de cubos com 24 lados e 36 arestas. Como origami, o cubo pode ser dobrado ao longo das suas arestas de modo a mudar a forma. A equipa demonstrou, tanto teoricamente como experimentalmente, que o cubo pode ser deformado em muitas formas diferentes ao dobrar certas arestas, que actuam como dobradiças. A equipa incorporou actuadores pneumáticos na estrutura, que podem ser programadas para deformar certas dobradiças, mudando a forma e tamanho do cubo, e retirando a necessidade de entradas externas.

A equipa ligou 64 destas células individuais de modo a criar um cubo 4x4x4 que pode crescer e encolher, mudar de forma na totalidade, mudar a orientação da sua microestrutura e dobrar até ficar lisa. À medida que a estrutura muda de forma, também altera a sua dureza - significando que se poderá fazer um material muito flexível e duro na mesma estrutura. Estas mudanças nas propriedades do material acrescentam uma quarta dimensão ao material.

'Nós não só compreendemos como o material deforma, mas temos igualmente uma abordagem que aproveita esse entendimento,' diz Bertoldi. ' Sabemos exactamente o que precisamos fazer de modo a obter a forma que queremos.'

O material pode ser incorporado com qualquer tipo de actuador, incluindo termal, dieléctrico (isolante) ou até água.

'As oportunidades de mover todos os sistemas de controle combinados com novos sistemas de actuação que estão já a ser desenvolvidas para estruturas de tipo origami abrem realmente o espaço de design para estas estruturas transformáveis e facilmente implementáveis,' referiu Weaver.

'Este sistema estrutural tem implicações fascinantes para a arquitectura dinâmica incluindo abrigos portáteis, fachadas adaptativas e tectos retrateis,' diz Hoberman. 'Enquanto que abordagens actuais a estas aplicações confiam na mecânica actual, esta tecnologia oferece vantagens únicas tais como a integração de superfícies e estruturas, a sua simplicidade inerente de manufacturação, e a sua capacidade de se tornar plana.'

'Esta pesquisa demonstra uma nova classe de materiais dobráveis que é igualmente escalável,' disse Overvelde, ' Trabalha da nano escala à  escala do metro e pode ser usada para fazer qualquer coisa desde utensílios cirúrgicos a tendas portáteis para uso em caso de catástrofes naturais.'

Os supercondutores estão desde há muito tempo confinados a um nicho de aplicações, devido ao facto de as mais elevadas temperaturas a que estes materiais se tornam livres de resistência ser de menos 170 graus Celcius. Actualmente eles são principalmente usados em imanes para tomografia de ressonância magnética nuclear, equipamentos de fusão e aceleradores de partículas.

Físicos do Instituto Max Panck para Estrutura e Dinâmica da Matéria no Centro de Ciência Laser de Electrões Livres (CFEL) em Hamburgo mostram pulsares livres num material feito de átomos de potássio e átomos de carbono organizados em estruturas esféricas. Numa pequena fracção de segundo, eles arranjaram maneira de a tornar supercondutora a menos 170 graus Celcius - 100 graus Kelvin. Um efeito semelhante já tinha sido descoberto em 2013 por cientistas do mesmo grupo num material diferente, um óxido de cerâmica pertencente à família dos chamados 'cupratos'.

Como os fulerenos têm uma relativamente simples estrutura química, os pesquisadores esperam ser capazes de ganhar um melhor entendimento do fenómeno da indução de luz na supercondutividade a altas temperaturas que conduzem nas suas novas experiências. Tais conhecimentos podem ajudar no desenvolvimento de um material que conduziria electricidade a temperaturas ambientes, sem perdas, e sem excitação óptica.

Todas as esperanças para a supercondutividade a alta temperatura têm andado em materiais cerâmicos conhecidos como cupratos. Estes materiais perdem a sua resistência eléctrica a temperaturas relativamente elevadas, que podem ser tão altas quanto 120 graus Celcius negativos. Por esta razão, os físicos referem-se a estes materiais como supercondutores de altas temperaturas.

Andrea Cavalleri, Director no Instituto Max Planck para Estruturas e Dinâmicas da Matéria, e os seus colegas estão a pavimentar caminho no desenvolvimento de materiais que perdem a sua resistência eléctrica a temperatura ambiente. As suas observações em fulerenos, que quando excitados com pulsares laser, se podem tornar supercondutivos a menos 170 graus Celcius, leva-os um passo mais além para atingir este objectivo. Esta descoberta pode contribuir para estabelecer um entendimento mais compreensivo de supercondutividade induzida por luz, porque é mais fácil formular uma explicação teorética para fulerenos do que para cupratos.

Uma explicação completa para este efeito pode, por sua vez, ajudar os cientistas a ganhar um melhor entendimento do fenómeno em supercondutividade a alta temperatura e providenciar uma receita para um supercondutor artificial que conduzirá electricidade sem perdas de resistência e a temperaturas ambientes.

Mudanças estruturais abrem caminho para os electrões
Em 2013, investigadores do grupo de Cavalleri demonstraram que sobre certas condições pode ser possível a um material de conduzir electricidade a temperatura ambiente sem perda de electricidade. Um óxido de cerâmica pertencente a família dos cupratos tornou-se supercondutor sem qualquer arrefecimento durante uns trilionésimos de segundo, quando os cientistas o excitaram usando pulsares laser infravermelhos. Um ano mais tarde, os cientistas em Hamburgo apresentaram uma possível explicação para este efeito.

Eles observaram que, seguida à excitação com o flash de luz, os átomos na estrutura de cristal mudaram de posição. Esta mudança persiste como o estado de supercondutividade do material. Falando de um modo abrangente, a mudança pela indução de luz na estrutura limpa o caminho para os electrões, de modo a movimentar-se na cerâmica sem perdas. No entanto, a explicação é muito dependente da altamente especifica estrutura cristalina dos cupratos. À medida que o processo foi entendido na altura, pode ter envolvido um fenómeno que só surge neste tipo de materiais.

A equipa liderada por Cavalleri perguntou então a eles próprios se a luz poderia quebrar a resistência de supercondutores mais tradicionais, a física dos quais é melhor entendida. Os pesquisadores do Instituto Max Planck para Estruturas e Dinâmicas da Matéria, entre os quais Daniele Nicoletti e Mateo Mitrano, que conseguiram agora o jackpot, usando uma substância que é muito diferente dos cupratos: o fulerido K3C60, um metal composto dos chamados fulerenos Buckminster.

Estas moléculas ocas consistem de 60 átomos de carbono que se ligam na forma de uma bola de futebol: uma esfera que compreende pentágonos e hexágonos. Com a ajuda de iões de potássio intercalados e carregados positivamente, que funcionam como uma espécie de cimento, os negativamente carregados fulerenos, agarram.se uns aos outros de modo a formar um sólido. Estes assim chamados, fuleridos alcalinos, é um metal que se torna supercondutor à volta de menos 250 graus Celcius.

Uma das mais altas temperatura críticas para além dos cupratos
Os pesquisadores irradiaram então os fuleridos alcalinos com pulsares de luz infravermelhos por somente uns bilionésimos de microsegundos e repetiram a sua experiência numa amplitude térmica entre temperaturas críticas e temperaturas ambientes. Eles apontam as frequências de fontes de luz que excitam os fulerenos para produzir vibrações.

Isto faz os átomos de carbono oscilar de tal modo que os pentágonos na bola expandem e contraem. Foi esperado que esta mudança na estrutura podem gerar supercondutividade passageira a altas temperaturas num modo semelhante à dos cupratos.

Para testar isto, os cientistas irradiaram a amostra com um segundo pulsar de luz ao mesmo tempo que o pulsar de infravermelhos, se bem que a uma frequência na amplitude dos terahertzs. A força a que este pulsar é reflectido indica a condutividade do material para os pesquisadores, significando a facilidade com que os electrões se movem através do fulerido alcalino.

O resultado foi de extremamente elevada condutividade. 'Estamos muito confiantes que induzimos supercondutividade a temperaturas de tão altas quanto menos 170 graus Celcius,' diz Daniele Nicoletti. Isto significa que a experiência em Hamburgo apresenta uma das mais elevadas temperaturas criticas observadas em materiais não pertencentes à classe dos cupratos.

'Estamos agora a planear levar a cabo outras experiências que devem habilitar-nos a alcançar um entendimento mais detalhado dos processos em trabalho aqui,' diz Nicoletti. O que gostariam de fazer agora é analisar a estrutura de cristais durante a excitação com a luz infravermelha. Tal como foi o caso dos cupratos, isto deverá ajudar a explicar o fenómeno.

'Os pesquisadores gostariam então de irradiar o material com pulsares de luz que durem muito mais.Apesar de ser tecnicamente muito complicado, pode aumentar a vida da supercondutividade, tornado-a potencialmente relevante para aplicações.'conclui Nicoletti.

Uma nova operação de simetria, desenvolvido por pesquisadores na Penn State, tem o potencial de acelerar a busca por novos materiais avançados, que variam de aços mais resistentes a novos tipos de materiais electrónicos, magnéticos e térmicos. Com mais desenvolvimentos, esta técnica também poderá ter um impacto no campo do design de materiais computacionais.

'Nas ciências da física, realizar medidas pode ser consumidor de tempo e, assim sendo, não queremos fazer medidas desnecessárias,' diz Venkat Gopalan, professor de ciência de materiais e engenharia. 'Isto é verdade para qualquer propriedade de materiais - mecânica, eléctrica, óptica, magnética, térmica ou outra qualquer. Sabendo que o grupo de simetria de um material pode reduzir enormemente o número de medidas que tenha de fazer.'

A simetria é difundida por todo o universo físico e está na base das leis básicas da física. Gopalan dá uma definição simples, mas cientificamente precisa; "A simetria é quando, fazermos algo parece-se a nada fazer.'

Um círculo tem uma simetria perfeita, porque se o girar num qualquer número de graus, terá a mesma aparência. Da mesma forma, a rotação de um hexágono por sessenta graus deixa-o exactamente na mesma, mas rodando-a numa quantidade diferente, não o faz. Qualquer coisa que pode ser feito que deixa um objecto com a mesma aparência, é uma operação de simetria.

Nos cristais, os átomos existem em padrões simétricos, como um cubo de sal ou um cristal de açucar ou quartzo. Grupos simétricos, dizem aos cientistas em quantas maneiras diferentes os átomos se podem colocar para repetir padrões.

Se souberem em que grupo simétrico se coloca um material, já se saberá muito acerca das propriedades - mecânica, térmica, eléctrica e por aí em diante - que os materiais terão.

Há precisamente 230 grupos que explicam como os átomos podem ser arranjados no espaço. Estas são 'caixas' de simetria em que um material irá encaixar. Se os cientistas estão à procura de um material com certas propriedades, como a de ser electricamente polarizado, podem procurar materiais meramente nessa 'caixa' de simetria e ignorar todas as 'caixas' que não tem qualquer possibilidade de conter materiais polarizados.

Outra operação de simetria, denominada reversão temporal, acrescenta ao número de 'caixas' de simetria disponíveis, e aplica-se especificamente aos materiais magnéticos. Isto diz simplesmente que, se o tempo anda para trás, um material irá simplesmente parecer igual ou não.

Num artigo publicado on-line no jornal Nature Communications, Gopalan e o seu co-autor Brian VanLeeuwen falam de um novo conjunto de 'caixas' chamada de, grupos de simetria distorcida, que descreve o que acontece quando sistemas físicos são afectados e perturbados por 'stresses', campos electromagnéticos ou outras forças, e mudam de um estado para o outro.

'As distorções são o mais comum dos fenómenos na natureza,' refere Goplan. 'Uma reacção química é uma distorção, difusão é distorção, e uma mudança das posições atómicas e nuvens electrónicas num material é distorção. A simetria que Brian e eu descobrimos é como gravar um filme de átomos e ver a sua simetria, considerando que a maioria das operações de simetria está a olhar para um 'frame' de um filme.'

'Mostramos que há uma enorme família de problemas a que isto se irá aplicar, tais como transições de fase - por exemplo, água a mudar de um líquido para um sólido ou vibrações em moléculas ou sólidos. Verá simetrias que não via com facilidade anteriormente. Então podemos reduzir rapidamente o numero de experimentações que temos de correr ou o numero de computações que precisam ser feitas para saber como um material irá mudar sob o efeito de distorções.'

As operações VanLeeuwen e Gopalan's encontram-se já a ser aplicadas por colegas na Penn State que trabalham em design de materiais computacional. Um grupo usa a técnica para compreender e modelar a difusão de átomos de hidrogénio no ferro. Outro grupo está a incorporá-lo num poderoso computador chamado Quantum Espresso, usado por modeladores de todo o mundo.

'A primeira questão que queremos colocar quando um novo material é descoberto, é de como os átomos são colocados no espaço,' diz Ismaila Dabo, professor assistente de ciência de materiais e engenharia, e um dos fomentadores Quantum Espresso.

'As simetrias são uma língua poderosa para explicar tais arranjos atómicos e as suas distorções perto do equilíbrio. Mas quando as distorções são tão grandes que afastam os átomos para longe do equilíbrio, não havia um caminho claro de descrever as transformações dos materiais, tornando difícil classificar fenómenos críticos como transições de fase ou propostas de limites granulares. Este trabalho dá uma admiravel, elegante, e muito necessária resposta, a tal questão.'

As proteínas são cristais complexos que mudam quando uma molécula de droga se liga a ela. Mas para as drogas actuais é algo muito computacional e experimentalismo intensivo. Gopalan sente que esta técnica pode algum dia ser útil na redução de experiências necessárias.

'A biologia é sobretudo acerca de distorções de biomoléculas no sentido de realizar uma função biológica,' refere.'Isto será conhecimento que valerá a pena para eles. Algum dia, isto será muito útil, mas a biologia á muito complexa, envolvendo centenas de átomos numa única célula. Nós ainda não estamos bem certos que estas ideias possam criar impacto aí, mas planeamos tentar. O meu objectivo é levar isto e aplicar a uma variedade de problemas mais simples primeiro.'

VanLeeuwen diz que muitas tecnologias que estão limitadas às propriedades dos materiais, podem beneficiar pela aplicação deste método na procura de novos materiais. Isto inclui ligas mais leves e mais fortes para a exploração espacial e eficiência energética, melhores sensores para a saúde e melhoramento das turbinas para maior produção energética.

'A natureza segue o caminho de menor resistência. Sabendo este caminho permite-nos calcular as tremendamente importantes propriedades dos materiais. Estas propriedades são críticas à função de um grande numero de tecnologias, desde a possibilidade de um ultra-som para prevenção de uma condição cardíaca mortal à prevenção da fusão de um reactor nuclear,' disse VanLeeuwen.