I ricercatori del Karlsruhe Institute of Technology hanno sviluppato nuovi metamateriali meccanici che mostrano elevati livelli di rigidezza e densità di energia elastica.
Un team di ricerca internazionale coordinato dal Karlsruhe Institute of Technology (KIT) ha sviluppato metamateriali meccanici con un’elevata densità di energia elastica. Barre ad elevata torsione che si deformano in modo elicoidale forniscono a questi metamateriali un’elevata rigidezza e consentono loro di assorbire e rilasciare grandi quantità di energia elastica. Oltre alle molle per l’assorbimento di energia, le possibili applicazioni includono l‘assorbimento o lo smorzamento degli urti, strutture flessibili nella robotica o in macchine a basso consumo energetico. In alternativa, le torsioni che si verificano all’interno dei metamateriali potrebbero essere utilizzate per giunti puramente elastici.
L’energia cinetica, ovvero l’energia di movimento o il corrispondente lavoro meccanico, viene convertita in energia elastica in modo tale da poter essere completamente rilasciata nuovamente quando necessario. La caratteristica chiave in questo caso è l‘entalpia, ovvero la densità di energia che può essere immagazzinata e recuperata da un elemento del materiale. Per raggiungere la massima entalpia, “la difficoltà sta nel combinare proprietà contrastanti: elevata rigidezza, elevata resistenza e grande deformazione recuperabile” spiega Peter Gumbsch, professore di meccanica dei materiali presso l’Istituto per i Materiali Applicati (IAM) del KIT.
Disposizione intelligente di barre deformate elicoidali nei metamateriali
I metamateriali sono materiali progettati artificialmente e non presenti in natura. Vengono assemblati a partire da unità definite individualmente in modo da poter migliorare le proprietà materiali. Il team di ricerca internazionale, guidato da Gumbsch e composto da membri provenienti da Cina e Stati Uniti, è riuscito a sviluppare metamateriali meccanici con un’elevata densità di energia elastica recuperabile. “Inizialmente, abbiamo individuato un meccanismo per immagazzinare un’elevata quantità di energia in una semplice barra tonda senza romperla o deformarla in modo permanente. Definindo una disposizione intelligente delle barre, abbiamo poi integrato questo meccanismo in un metamateriale” afferma Gumbsch.
Gli scienziati paragonano questo meccanismo a una classica molla a flessione, la cui deformazione massima è limitata da elevate sollecitazioni di trazione e compressione che si verificano sulle sue superfici superiore e inferiore e portano alla rottura o alla deformazione plastica permanente. In una molla a flessione di questo tipo, le sollecitazioni sull’intero volume interno sono molto basse, ma se una barra viene ruotata, anche l’intera superficie è esposta a sollecitazioni elevate, però il volume interno a basse sollecitazioni è considerevolmente inferiore. Per sfruttare questo meccanismo, la torsione deve essere così elevata da provocare una complessa deformazione elicoidale.
Entalpia da 2 a 160 volte superiore rispetto ad altri metamateriali
I ricercatori sono riusciti a integrare queste barre caricate torsionalmente e deformate in modo elicoidale in un metamateriale che può essere utilizzato macroscopicamente sotto carichi monoassiali. Le simulazioni li hanno aiutati a prevedere che il metamateriale avrebbe avuto un’elevata rigidità e quindi avrebbe potuto assorbire forze elevate. Inoltre, la sua entalpia è da 2 a 160 volte superiore a quella di altri metamateriali. Per confermarlo, hanno condotto semplici esperimenti di compressione su vari metamateriali con strutture chirali speculari.
“I nostri nuovi metamateriali, con la loro elevata capacità di accumulo di energia elastica, hanno il potenziale per essere utilizzati in vari settori futuri in cui sono richiesti sia un accumulo di energia efficiente, sia eccezionali proprietà meccaniche” conclude Gumbsch
Illustrazione: IAM, KIT / Collage: Anja Sefrin, KIT
