Cientistas da Georgia Tech University (Estados Unidos), da Universidade de Tecnologia e Design de Cingapura e da Universidade de XI’an Jiaotong (China) criaram um novo tipo de impressão 4D que modifica a forma original de objetos mediante exposição ao calor ou à umidade. O estudo sobre a descoberta foi publicado na revista científica Science Advances. Os pesquisadores usaram um material especial, os polímeros de formato de memória inteligente (SMPS, na sigla em inglês) — capazes de memorizar formas, por meio de programação.

“O material tem uma forma inicial. Nós usamos a sensibilidade à temperatura, uma das propriedades mecânicas dos polímeros, para obter o efeito de memória. Ele é programado para adquirir nova forma depois de submetido ao calor”, explica Jerry Qi, professor da Faculdade de Engenharia Mecânica da Georgia Tech University e um dos autores do estudo.

Para programar os polímeros, os estudiosos os aqueceram a temperaturas acima da transição vítrea — entre 45 e 60 graus Celsius — e esticaram o material. Para manter a forma distendida, os polímeros foram, posteriormente, esfriados. O novo formato adquirido permaneceu intacto sob temperatura ambiente. O material somente pode retornar à aparência inicial se aquecido novamente.

De acordo com Jerry Qi, cada camada foi projetada para responder de maneira diversa ao ser exposta ao calor. “Nós usamos propriedades diferentes e, também, um pouco de tensão residual desenvolvida durante o processo de impressão para dirigir a mudança da forma. O segundo formato pode ser concebido colocando-se cuidadosamente os dois materiais em locais espaciais diferentes na peça nos parâmetros de impressão”, destaca o pesquisador. Simulações de computador ajudam a determinar comportamentos específicos para a impressão. “A nova abordagem simplifica e aumenta, significativamente, o potencial da impressão em 4D, incorporando a programação mecânica pós-processamento diretamente na impressão em 3D. Isso permite que componentes impressos em 3D e em alta resolução sejam projetados por simulação computacional, para depois serem transformados em novas configurações permanentes por meio de um simples aquecimento”, acrescenta o coautor.

Aplicações

As peças em 4D terão potencial para uma série de recursos. Elas podem conceber que produtos sejam empilhados de forma plana ou laminada para transporte e expandidos quando utilizados. Os pesquisadores creem que, no futuro, a tecnologia permitirá que os componentes respondam a outros estímulos físicos — como temperatura, umidade e luminosidade —, de forma mais precisa e cronometrada, o que permitirá a criação de estruturas espaciais, dispositivos médicos implantáveis, robôs, brinquedos e outros objetos.

“A inovação desse estudo está no material, não no tipo de impressora. É uma boa descoberta, por meio da qual os cientistas conseguem alterar parte da estrutura do objeto. Eles combinaram alguns polímeros no material e, com isso, obtiveram uma programação estrutural”, comenta Leonardo Amaral, que faz pesquisas sobre desenvolvimento de impressoras 3D do Instituto Nacional de Telecomunicações (Inatel). Para ele, a impressão 4D ainda é uma vertente muito nova.

Marcelo Zuffo, doutor em engenharia elétrica pela Universidade de São Paulo (USP), afirma que os SMPS são, na realidade, uma variedade de polímeros com uma característica funcional. “Na realidade, seria um plástico com memória inteligente. Além do polímero, existem outros materiais com tal característica. Esses materiais têm pontos de fusão divergentes e diferentes características mecânicas. Eles partem de um princípio de memória de um ponto de fusão.”

Especialista em ciência da computação pela Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) e professor adjunto da Universidade Federal de Ouro Preto, Ricardo Rabelo explica que as aplicações desse tipo de objeto são muito diversificadas — variam de canos adaptáveis a condições climáticas ou ambientais, além de utensílios domésticos, veículos e ferramentas de autoconfiguração. “Canos usados em tubulações poderiam ser readaptados em situações extremas, como terremotos, sem precisar ser substituídos. A mudança da forma se torna mais controlável do que apenas a elasticidade de determinados materiais.” Rabelo crê que a impressão 4D poderá ser útil para astronautas, ao dar origem a móveis domésticos que se reconfiguram facilmente. “Você compra um móvel que vem empacotado. Se ativar um estímulo físico, ele mudará de forma. Ele sai do modo empacotado e se reconfigura para o que você desejar. Se o reverso ocorrer, você poderá guardá-lo novamente para transporte.”

O próximo passo da pesquisa será integrar o método em nova forma de fabricar ferramentas. “Atualmente, estamos trabalhando para obter uma maior compreensão sobre o comportamento dos polímeros que se alteram com o calor e, em seguida, veremos como otimizar o projeto. Além disso, queremos expandir isso para projetos 4D mais complicados”, afirma Jerry Qi.

Quarta dimensão (4D)
A quarta dimensão é vinculada à noção de tempo. Os objetos modificam a forma sob influência de efeitos físicos — temperatura e umidade — e do tempo.

Macromoléculas 
Os polímeros são macromoléculas que se originam por meio de várias unidades de moléculas pequenas. Existem vários tipos de polímeros (naturais e artificiais) Eles podem ser encontrados na composição da borracha, policloreto de vinila (PVC), náilon e poliéster, entre outros.

Transição de estados 
A temperatura faz com que os polímeros passem da fase sólida para o estado líquido. Os polímeros são materiais sólidos com estrutura desordenada, e quando mudam de estado não estão realizando uma fusão, mas sim uma transição de fase chamada transição vítrea.