Quando Peter Williams estava fazendo 2.002 (Mecânica e Materiais II) no último semestre, ele ganhou um troféu cuja altura é aproximadamente igual à largura de três fios de cabelo humanos. Em vez de se sentir prejudicado com seu prêmio minúsculo, o aluno do último ano em engenharia mecânica o considerou um prêmio adequado para um concurso no qual ele e seus colegas foram convidados a projetar um material em nanoescala capaz de resistir à compressão.

O desafio de design representa uma nova parte inovadora da classe de graduação sobre as propriedades mecânicas dos materiais. Enquanto 2.002 tradicionalmente inclui experimentos de laboratório clássicos, o professor Carlos Portela queria dar aos alunos uma experiência prática de pesquisa na emocionante fronteira de seu campo.

“O objetivo não era apenas expor os alunos a conceitos de ponta de nanotecnologia, nanomecânica e metamateriais, mas principalmente que eles estivessem no 'assento do motorista' dessa experiência”, diz Portela, que é o D'Arbeloff Career Development professor assistente no Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. “Estávamos convencidos de que um desafio de design – onde os alunos inventariam novos designs 3D de metamateriais, observariam e participariam dos processos de fabricação e caracterização e teriam uma competição amigável contra seus colegas – conseguiria exatamente isso.”

O desafio de design levou os alunos a um laboratório nas instalações de classe mundial do MIT.nano, um ambiente tão delicado que todos os que entram devem primeiro cobrir-se da cabeça aos pés para tentar impedir a entrada até mesmo da menor partícula de poeira. A missão deles era direta: projetar o cubo microscópico mais resistente à compressão possível com um material que tocasse cada lado do cubo, mas preenchesse apenas 20% do volume total. Os materiais foram fabricados usando uma impressora 3D que emite um laser sobre a resina para criar estruturas precisas e de alta resolução.

“Conseguimos arquitetar metamateriais em microescala [materiais projetados para ter certos comportamentos mecânicos] e criar alguns designs e descobertas realmente interessantes a partir disso”, diz Williams, acrescentando que apreciou a experiência de trabalhar “nas questões que os verdadeiros cientistas estão perguntando atualmente.”

Para sua inscrição vencedora, Williams contou com um princípio de design que aprendeu antes de levar 2.002. Chamando isso de “maneira clara de vencer”, ele organizou seu nanomaterial em um perfil bidimensional que se parece com paredes verticais.

“Se você tiver algum tipo de estrutura de treliça, não será tão bom quanto se o material fosse suportado diretamente pelo material sob ela. Você não pode colocar o mesmo material na diagonal e esperar que seja tão resistente”, diz Williams. “Sou muito bom em CAD e este é um projeto muito simples. Os mais complicados não funcionaram.”

A sênior Allison King projetou seu material usando hexágonos, que também são conhecidos por resistir muito bem à compressão. O material de King ficou em segundo lugar e, embora tenha ficado um pouco desapontada por não ter saído com o troféu quase invisível, ela expressa uma enorme empolgação por ter participado da competição e vivenciado o laboratório MIT.nano.

“Você entrou no laboratório e percebeu naquele momento que, uau, o MIT é um lugar muito legal”, diz King. “As pessoas estão literalmente forçando os limites da engenharia bem na sua frente e agora.”

King diz que ela estava “na ponta do meu assento”, enquanto seu material, tornado visível com um microscópio eletrônico, era mostrado em um monitor durante a compressão.

“Adoro o lado do design da engenharia mecânica e de testar hipóteses”, diz ela. “Portanto, tendo muita liberdade - como, 'Ei, vá projetar o que quiser e veja se funciona' -, na verdade, coloque em uso as habilidades e o treinamento que aprendemos para ver se podemos realmente construir um produto."

Embora o desafio de design tenha sido divertido e empolgante para os alunos, o processo do qual eles participaram tem profundas implicações, diz Portela. Os nanomateriais podem ser criados para ter propriedades mecânicas, térmicas e até mesmo eletrônicas “exóticas”, diz ele. A cerâmica pode ser projetada para ser como a borracha, os metais podem ser mais fortes e o vidro pode se tornar extremamente durável. As nanoestruturas também podem ser feitas para interagir com luz, som ou elétrons.

“Os materiais nanoarquitetados têm o potencial de enfrentar desafios sociais e de engenharia não resolvidos, pois alcançam combinações de propriedades que nenhum material existente jamais poderia alcançar. A capacidade de produzir materiais que possuam nanoestruturas em grandes volumes pode ter impacto em diversas áreas”, diz Portela. “Habilitar essas propriedades além da nano ou microescala mudará o jogo”, diz ele, acrescentando que “ainda há muito trabalho a ser feito para chegarmos a esse ponto”.

Para Williams, 2.002 e o desafio do design podem mudar a vida de uma pessoa. Atualmente planejando trabalhar na indústria depois de se formar, a experiência está fazendo com que ele considere retornar à academia.

“Como aluno de graduação, cursando 2.002, pude fazer pesquisas em nível de pós-graduação e usar instalações de alto nível”, diz ele. “Isso me deixou animado para potencialmente voltar à pesquisa.”