I ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology hanno sviluppato metamateriali con proprietà di estensione e compressione diverse rispetto ai materiali convenzionali.
L’interazione tra i componenti è fondamentale per la funzionalità di un metamateriale. Finora un componente poteva interagire solo con i suoi vicini immediati. Ora i ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology (KIT) hanno sviluppato un metamateriale meccanico con cui queste interazioni possono essere attivate anche a distanze maggiori all’interno del materiale. Questo materiale possiede proprietà di estensione e compressioni diverse dai materiali convenzionali e potrebbe trovare impiego nella misurazione delle forze e nel monitoraggio strutturale.
Per capire il funzionamento dei metamateriali, si può fare un confronto con la comunicazione umana e il vecchio gioco del telefono senza fili: quando le persone comunicano attraverso una catena di intermediari, il messaggio ricevuto dall’ultima persona può essere completamente diverso rispetto a quello originale. Questo principio si applica anche ai metamateriali: “Il materiale che abbiamo progettato ha strutture speciali (in rosso nell’illustrazione), i cui singoli componenti non ‘comunicano’ più solo tramite i loro vicini con componenti più lontani, ma anche direttamente con tutti gli altri componenti nel materiale” spiega l’autore principale dello studio Yi Chen.
Esperimenti su campioni microscopici stampati in 3D
“Queste strutture conferiscono al materiale proprietà affascinanti come insolite caratteristiche di allungamento” aggiunge il coautore Ke Wang. Il team è stato in grado di dimostrarlo con campioni di materiale di dimensioni micrometriche, prodotti utilizzando la tecnologia di stampa laser 3D ed esaminandoli con un microscopio dotato di telecamera. La loro analisi ha mostrato che un raggio unidimensionale (1D) si allunga in modo irregolare quando viene tirato da un’estremità. Contrariamente a un oggetto come un elastico, che si allunga uniformemente quando viene tirato, il metamateriale in realtà mostra compressione in alcuni punti, mentre alcune sezioni corte si allungano più di quelle più lunghe, anche se viene applicata la stessa forza ovunque. “Questo comportamento insolito con stiramento e compressione localizzati è impossibile nei materiali convenzionali. Ora lo studieremo nei materiali bidimensionali (planari) e tridimensionali” afferma Jonathan Schneider, un altro coautore.
Il metamateriale è estremamente sensibile ai carichi, una proprietà che potrebbe essere potenzialmente utile. A seconda del punto in cui viene applicata la forza nel materiale, possono verificarsi reazioni di stiramento completamente diverse anche in punti relativamente distanti. Secondo i ricercatori, le reazioni nei materiali convenzionali vengono osservate direttamente solo nel punto in cui viene applicata la forza, mentre in posizioni distanti nel materiale vengono identificati solo effetti deboli o trascurabili. Un materiale con questa sensibilità potrebbe essere prezioso per applicazioni ingegneristiche in cui è necessario misurare forze su larga scala, come nel monitoraggio delle deformazioni degli edifici o nella ricerca biologica per caratterizzare le forze nelle cellule.
Questa ricerca è stata supportata dal Cluster of Excellence 3D Matter Made to Order (3DMM2O) del KIT e dall’Università di Heidelberg.
Foto Jonathan Schneider, KIT
