Os nós tornam o material muito mais resistente do que materiais identicamente estruturados, mas sem nós: eles absorvem mais energia e são capazes de se deformar mais enquanto ainda são capazes de retornar à sua forma original sem danos. Esses novos materiais com nós podem encontrar aplicações em biomedicina, bem como em aplicações aeroespaciais devido à sua durabilidade, possível biocompatibilidade e extrema deformabilidade.

"A capacidade de superar o compromisso geral entre a deformabilidade do material e a resistência à tração [a capacidade de ser esticado sem quebrar] oferece novas maneiras de projetar dispositivos extremamente flexíveis, duráveis ??e que podem operar em condições extremas", diz o ex-graduado da Caltech estudante Widianto P. Moestopo (MS '19, PhD '22), agora no Lawrence Livermore National Laboratory. Moestopo é o principal autor de um artigo sobre os nós em nanoescala publicado em 8 de março na Science Advances.

Moestopo ajudou a desenvolver o material no laboratório de Julia R. Greer , Ruben F. e Donna Mettler Professora de Ciência de Materiais, Mecânica e Engenharia Médica; Diretor da Fundação Fletcher Jones do Kavli Nanoscience Institute; e autor sênior do artigo Science Advances . Greer está na vanguarda da criação desses materiais nano-arquitetados, ou materiais cuja estrutura é projetada e organizada em escala nanométrica e que, consequentemente, exibem propriedades incomuns, muitas vezes surpreendentes.

"Embarcar na compreensão de como os nós afetariam a resposta mecânica de materiais microarquitetados foi uma nova ideia pronta para uso", diz Greer. "Fizemos uma extensa pesquisa sobre o estudo da deformação mecânica de muitos outros tipos de microtêxteis, por exemplo, treliças e materiais tecidos. Aventurar-nos no mundo dos nós nos permitiu obter insights mais profundos sobre o papel do atrito e da dissipação de energia, e provou ser significativo."

Cada nó tem cerca de 70 micrômetros de altura e largura, e cada fibra tem um raio de cerca de 1,7 micrômetros (cerca de um centésimo do raio de um fio de cabelo humano). Embora esses não sejam os menores nós já feitos - em 2017, os químicos deram um nó feito de uma cadeia individual de átomos - isso representa a primeira vez que um material composto de vários nós nessa escala foi criado. Além disso, demonstra o valor potencial de incluir esses nós em nanoescala em um material — por exemplo, para sutura ou amarração em biomedicina.

Os materiais com nós, que foram criados a partir de polímeros, exibem uma resistência à tração que supera em muito os materiais sem nós, mas estruturalmente idênticos, incluindo aqueles em que os fios individuais são entrelaçados em vez de nós. Quando comparados com suas contrapartes sem nós, os materiais com nós absorvem 92% mais energia e exigem mais do que o dobro da quantidade de tensão para quebrar quando puxados.

Os nós não foram amarrados, mas sim fabricados em um estado atado usando litografia 3D avançada de alta resolução capaz de produzir estruturas em nanoescala. As amostras detalhadas no artigo da Science Advances contêm nós simples - um nó overhand com uma torção extra que fornece fricção adicional para absorver energia adicional enquanto o material é esticado. No futuro, a equipe planeja explorar materiais construídos a partir de nós mais complexos.

O interesse de Moestopo pelos nós surgiu da pesquisa que ele estava realizando em 2020 durante os bloqueios do COVID-19. "Encontrei alguns trabalhos de pesquisadores que estudam a mecânica dos nós físicos em oposição aos nós em um sentido puramente matemático. Não me considero um alpinista, um marinheiro ou um matemático, mas fiz nós ao longo da minha vida, então achei que valia a pena tentar inserir nós nos meus desenhos", diz.

O artigo tem um título irônico: " Nós não são inúteis: design, propriedades e topologia de materiais microarquitetados entrelaçados hierárquicos ". Os coautores incluem os alunos de pós-graduação da Caltech Sammy Shaker e Weiting Deng. Esta pesquisa foi financiada pela National Science Foundation através do Graduate Research Fellowship Program de Moestopo, do Caltech's Clinard Innovation Fund, da Greer's Vannevar Bush Faculty Fellowship e do Office of Naval Research.