Gli ingegneri del MIT hanno trovato un modo per produrre un metamateriale resistente ed elastico allo stesso tempo. Il materiale di base è in genere molto rigido e fragile, ma viene stampato secondo schemi precisi che formano una struttura allo stesso tempo resistente e flessibile.
I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno scoperto come fabbricare un metamateriale che sia allo stesso tempo resistente ed elastico. Il materiale di base è tipicamente rigido e fragile, ma se stampato con schemi precisi forma un materiale dalle proprietà eccezionali.
I metamateriali sono materiali sintetici con strutture microscopiche che conferiscono al materiale nel suo complesso proprietà eccezionali. Si è posta grande attenzione alla progettazione di metamateriali più resistenti e rigidi rispetto alle loro controparti convenzionale, ma c’è un problema: più un materiale è rigido, meno è flessibile.
La chiave delle doppie proprietà del nuovo materiale è la combinazione di montanti microscopici rigidi e di un’architettura intrecciata più morbida. Questa “doppia rete” microscopica, stampata utilizzando un polimero simile al plexiglass, ha prodotto un materiale che può allungarsi di oltre quattro volte le sue dimensioni senza rompersi completamente. Al contrario, il polimero in altre forme ha un allungamento minimo o nullo e si frantuma facilmente una volta rotto.
Il nuovo design a doppia rete può essere applicato ad altri materiali, per esempio per fabbricare ceramiche, vetro e metalli elastici. Questi materiali resistenti ma flessibili potrebbero essere trasformati in tessuti resistenti allo strappo, semiconduttori flessibili, packaging per chip elettronici e strutture resistenti ma flessibili su cui coltivare cellule per la riparazione dei tessuti.
Struttura e intreccio
Per lo studio, il team ha fabbricato un metamateriale combinando due architetture microscopiche. La prima è un’impalcatura rigida a griglia di montanti e tralicci. La seconda è un reticolo di bobine che si intrecciano attorno a ciascun montante e traliccio. Entrambe le reti sono realizzate con lo stesso materiale plastico acrilico e vengono stampate in un’unica operazione, utilizzando una tecnica di stampa laser ad alta precisione chiamata litografia a due fotoni.
I ricercatori hanno stampato campioni del nuovo metamateriale ispirato alla doppia rete, ciascuno delle dimensioni di diversi micrometri quadrati. Hanno sottoposto il materiale a una serie di test di stress, in cui hanno fissato entrambe le estremità del campione a una pressa nanomeccanica specializzata e misurato la forza necessaria per separare il materiale. Hanno anche registrato video ad alta risoluzione per osservare i punti e le modalità in cui il materiale si allungava e si strappava durante la separazione.
Hanno scoperto che il loro nuovo design a doppia rete era in grado di allungarsi tre volte la propria lunghezza, che peraltro era 10 volte superiore rispetto a un metamateriale reticolare convenzionale stampato con la stessa plastica acrilica. Secondo i ricercAtori, la resistenza all’elasticità del nuovo materiale deriva dalle interazioni tra i montanti rigidi del materiale e la trama più disordinata e a spirale quando il materiale viene sollecitato e tirato: “Pensate a questa rete intrecciata come a un groviglio di spaghetti aggrovigliati attorno a un reticolo. Man mano che rompiamo la rete reticolare monolitica, quelle parti rotte si uniscono, e ora tutti questi spaghetti si aggrovigliano con i pezzi del reticolo. Questo favorisce un maggiore aggrovigliamento tra le fibre intrecciate, il che significa maggiore attrito e maggiore dissipazione di energia” afferma Carlos Portela, Professore Associato Robert N. Noyce Career Development al MIT.
In altre parole, la struttura più morbida avvolta nel reticolo rigido del materiale subisce maggiori sollecitazioni grazie ai molteplici nodi o aggrovigliamenti promossi dai montanti fessurati. Poiché questa sollecitazione si diffonde in modo non uniforme attraverso il materiale, è improbabile che una crepa iniziale lo attraversi completamente e lo laceri rapidamente. Inoltre, il team ha scoperto che introducendo fori strategici, o “difetti”, nel metamateriale, si potrebbe dissipare ulteriormente qualsiasi sollecitazione a cui il materiale è sottoposto, rendendolo ancora più elastico e resistente alla lacerazione: “Si potrebbe pensare che questo peggiori il materiale, ma abbiamo visto che una volta aggiunti i difetti, abbiamo raddoppiato la quantità di allungamento che potevamo ottenere e triplicato la quantità di energia dissipata. Questo ci dà un materiale che è sia rigido che resistente, il che di solito è una contraddizione” commenta Utama Surjadi, coautore dello studio
Il team ha sviluppato un framework computazionale che può aiutare gli ingegneri a stimare le prestazioni di un metamateriale in base alla configurazione delle sue reti rigide ed elastiche. Prevede che un simile modello sarà utile nella progettazione di tessuti e stoffe antistrappo: “Vogliamo anche sperimentare questo approccio su materiali più fragili, per conferire loro multifunzionalità. Finora abbiamo parlato di proprietà meccaniche, ma cosa succederebbe se potessimo renderli anche conduttivi, o sensibili alla temperatura? Per questo, le due reti potrebbero essere realizzate con polimeri diversi, che rispondono alla temperatura in modi diversi, in modo che un tessuto possa aprire i pori o diventare più elastico quando fa caldo e più rigido quando fa freddo. È qualcosa che possiamo esplorare ora” conclude Portela.
Foto: Courtesy dei ricercatori
