Material inteligente

Um material inteligente, também chamado de material responsivo, é um material projetado para que uma ou mais de suas propriedades possam ser alteradas de maneira controlada por estímulos externos, como tensão mecânica, umidade, campos elétricos, campos magnéticos, luz, temperatura, pH ou compostos químicos. Esses materiais são usados em sensores, atuadores e músculos artificiais, em especial na forma de polímeros eletroativos.

Tipos

Os materiais inteligentes podem ser classificados pelo mecanismo que produz sua resposta.

Eletromecânicos: respondem a estímulos elétricos ou mecânicos.

• Materiais piezoelétricos geram carga elétrica quando submetidos a tensão mecânica. No efeito inverso, a aplicação de um campo elétrico provoca deformação mecânica. Estruturas feitas com esses materiais podem ser projetadas para se curvar, expandir ou contrair quando um campo elétrico é aplicado.
• Polímeros eletroativos respondem a estímulos elétricos com alterações mecânicas, como mudanças de forma ou flexão.
• Elastômeros dielétricos podem produzir grandes deformações quando submetidos a um campo elétrico externo.
• Materiais eletrostritivos deformam-se sob a ação de um campo elétrico. Na eletrostrição, a deformação apresenta dependência aproximadamente quadrática da intensidade do campo aplicado, ao contrário da relação linear do efeito piezoelétrico ideal.

Responsivos a campos magnéticos: respondem à presença ou à alteração de um campo magnético.

• Materiais magnetostritivos alteram suas dimensões quando submetidos a um campo magnético. Pelo efeito magnetostritivo inverso, também chamado efeito Villari, a aplicação de tensão mecânica pode alterar a magnetização do material.
• Ligas com memória de forma magnética podem mudar de forma sob a ação de um campo magnético por reorientação de variantes da estrutura martensítica.
• Ferrofluidos são suspensões coloidais estáveis de nanopartículas magnéticas, que em escala nanométrica apresentam comportamento superparamagnético, dispersas em um fluido portador e capazes de responder a campos magnéticos.
• Materiais associados ao efeito magnetocalórico apresentam mudança de temperatura em condições adiabáticas quando varia o campo magnético aplicado.

Reológicos: alteram propriedades de escoamento quando submetidos a campos elétricos ou magnéticos.

• Fluidos eletroreológicos podem alterar rapidamente propriedades como viscosidade, tensão de escoamento e módulos viscoelásticos quando submetidos a um campo elétrico.
• Fluidos magnetorreológicos alteram suas propriedades viscoelásticas sob a ação de um campo magnético e podem ser empregados em amortecedores, válvulas e freios.

Memória de forma: materiais desse grupo podem ser deformados e depois recuperar uma forma previamente definida quando recebem um estímulo adequado. Dependendo do sistema, a recuperação pode ser acionada por temperatura, luz, eletricidade ou campo magnético. Sistemas fotossensíveis constituem uma das formas desse comportamento.

• Ligas com memória de forma podem recuperar deformações por transformações reversíveis entre estruturas martensíticas e austeníticas. Em determinadas condições, algumas apresentam pseudoelasticidade, também chamada superelasticidade, durante o carregamento mecânico. Um exemplo de liga com memória de forma é o nitinol.
• Polímeros com memória de forma podem ser programados em uma forma temporária e recuperar uma forma permanente quando recebem o estímulo apropriado. A fixação e a recuperação dependem da arquitetura molecular da rede polimérica e das transições usadas como mecanismo de comutação.
• A policaprolactona termoplástica apresenta comportamento de memória de forma associado à fusão e pode ser reconfigurada por aquecimento.

Cromogênicos: mudam de cor em resposta a estímulos elétricos, ópticos ou térmicos.

• Materiais eletrocrômicos mudam suas propriedades ópticas, incluindo cor ou transmitância, quando uma tensão elétrica é aplicada e podem ser usados em dispositivos de exibição e superfícies com transmissão óptica ajustável.
• Materiais termocrômicos mudam de cor conforme a temperatura.
• Materiais fotocrômicos mudam de cor em resposta à luz, como em certos óculos de sol que escurecem quando expostos à luz solar intensa.
• Materiais halocrômicos mudam de cor quando a acidez do meio se altera. Revestimentos com sensores halocrômicos podem usar mudanças locais de pH para indicar visualmente o início da corrosão no metal sob o revestimento.

Responsivos a estímulos ambientais:

• Polímeros sensíveis à temperatura alteram suas propriedades em resposta à temperatura.
• Polímeros sensíveis ao pH podem sofrer transições de fase ou de volume quando muda o pH do meio ao redor.
• Materiais quimiorresponsivos mudam propriedades físicas, como propriedades ópticas, tamanho, volume, forma, condutividade elétrica, hidrofobicidade e hidrofilicidade, quando expostos a sinais químicos ou biológicos.
• Polímeros inorgânicos inteligentes apresentam propriedades ajustáveis e responsivas.

Conversão de energia:

• Materiais fotovoltaicos, empregados em dispositivos optoeletrônicos, convertem energia luminosa em energia elétrica.
• Materiais termoelétricos podem gerar uma diferença de potencial a partir de uma diferença de temperatura pelo efeito Seebeck. O fenômeno inverso, o efeito Peltier, permite produzir aquecimento ou resfriamento pela passagem de corrente elétrica.

Resposta mecânica acionada opticamente: ocorre quando propriedades mecânicas mudam em resposta à luz.

• Materiais associados ao efeito fotomecânico sofrem deformação mecânica quando expostos à luz.

Autorreparação: capacidade de reparar danos leves com pouca ou nenhuma intervenção externa.

• Materiais autorreparáveis possuem mecanismos capazes de restaurar parcial ou totalmente propriedades afetadas por danos.

Aplicações

Fluidos magnetorreológicos são usados em amortecedores de sistemas de suspensão semiativa de veículos. O campo magnético aplicado ao fluido permite modificar continuamente as características de amortecimento, e sistemas de controle podem ajustar essa resposta às condições de operação do veículo.

Materiais termocrômicos e eletrocrômicos podem ser usados em janelas capazes de regular a transmissão de luz e calor em resposta à temperatura ou a um estímulo elétrico.

Na robótica mole, materiais responsivos a eletricidade, calor, campos magnéticos e luz podem formar atuadores deformáveis. Materiais flexíveis ou extensíveis também podem funcionar como sensores de deformação e força.

Ver também

• Matérias programáveis, materiais cujo comportamento pode ser alterado de forma programada
• Compósito ionômero-metálico, tipo de polímero eletroativo usado como sensor e atuador
• Sensor, dispositivo que detecta mudanças físicas ou químicas
• Atuador, dispositivo que converte um sinal de controle em uma ação física
• Robótica Mole, campo que usa materiais deformáveis em sensores e atuadores robóticos
• Ciência dos materiais, campo dedicado à estrutura e às propriedades dos materiais

Referências

Ligações externas

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• Smart Materials Series, Royal Society of Chemistry

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