La classe Poly-catenated Architected Material risponde a certi tipi di stress comportandosi come un fluido e ad altri come un solido aprendo la strada a molteplici applicazioni, dai caschi alla robotica, alla biomedicina.
Esperimenti condotti nel laboratorio dell’Istituto di Tecnologia della California (CalTech) da Chiara Daraio, professoressa d’ingegneria meccanica e fisica applicata, hanno portato alla scoperta di un nuovo tipo di materia, né granulare né cristallina, denominata PAM, ossia materiali 3D progettati con un’interconnessione complessa.
Il lavoro della Daraio è incentrato sullo sviluppo di nuovi materiali con proprietà meccaniche e di rilevamento avanzate (advanced sensing properties), per applicazioni in robotica morbida, dispositivi indossabili e assorbimento di urti/vibrazioni.
I PAM non esistono in natura, ma la loro struttura di base è nota grazie all’antica produzione della cotta di maglia, caratterizzata da piccoli anelli metallici attaccati tra loro per formare una maglia flessibile spesso usata come armatura. I PAM sono una versione potenziata di questa tecnica.
Basandosi sul principio delle forme interconnesse, come avviene in una catena, i PAM sono costituiti da una varietà di geometrie collegate che formano schemi tridimensionali con configurazioni estremamente variabili. Questi materiali, realizzati nel laboratorio di Daraio con stampanti 3D, mostrano comportamenti assenti in altre classi di materiali.
Wenjie Zhou, ricercatore post-dottorato in ingegneria meccanica e civile, ha un background in chimica ed inizialmente mirava a creare tali strutture su scala molecolare, ma a causa delle sfide tecniche, ha deciso di studiare i PAM su una scala più ampia nel team di Daraio.
I PAM sono stati modellati al computer, replicando strutture reticolari tipiche delle sostanze cristalline, ma con le particelle fisse del cristallo sostituite da anelli o gabbie intrecciate con molteplici lati. Successivamente, queste strutture sono state stampate tridimensionalmente utilizzando materiali come polimeri acrilici, nylon e metalli. I prototipi, di dimensioni generalmente pari a 5 cm, sono stati poi sottoposti a diversi stress test, tra cui compressione, forze di taglio laterale e prove reologiche per analizzare la risposta alla torsione.
Proprietà uniche dei PAM
In alcune condizioni, i PAM si comportano come liquidi con anelli e gabbie che scorrono uno contro l’altro come i collegamenti di una catena, mostrando una resistenza al taglio molto ridotta. In pratica è come applicare uno sforzo di taglio all’acqua. Quando però sono compressi, i PAM possono diventare totalmente rigidi, come solidi.
La nostra comprensione tradizionale dei materiali solidi e granulari si basa su una netta distinzione. I primi sono descritti come reticoli cristallini, visualizzati tramite modelli schematici composti da palline per gli atomi e bastoncini per simboleggiare i legami chimici o interazioni tra gli atomi. I granulari (tipo riso, farina o caffè macinato) sono composti da particelle discrete che si muovono liberamente tra loro.
I PAM sfidano questa classificazione. Le particelle individuali sono collegate tra loro come nelle strutture cristalline, ma fluiscono e reagiscono come granelli di sabbia grazie alla loro libertà di movimento reciproco, scorrendo, ruotando e riorganizzandosi, modificando continuamente la loro posizione relativa.
La transizione tra comportamenti fluidi e solidi è una caratteristica universale dei PAM, anche se le condizioni in cui avviene variano in base alla loro configurazione.
Daraio ha sottolineato che i materiali “architetturati” rappresentano un sottoinsieme significativo della scienza e dell’ingegneria dei materiali negli ultimi 20-30 anni. I PAM, come ibridi tra materiali granulari ed elastici deformabili, sono una frontiera completamente nuova per i quali non esistono modelli.
Le potenziali applicazioni dei PAM sono ancora speculative, ma promettenti dato che hanno specifiche uniche di assorbimento dell’energia, dissipandolola in maniera efficiente. Tra queste si annoverano:
– Dispositivi di protezione, come caschi o nell’imballaggio ed ovunque sia richiesta ammortizzazione o stabilizzazione.
– Dispositivi biomedici, per la capacità di adattarsi a diversi tipi di stress.
– Applicazioni in robotica, per strutture flessibili e resistenti.
La ricerca è consultabile su Science.
RIPRODUZIONE RISERVATA – © 2025 SHOWTECHIES – Quando la Tecnologia è spettacolo™ – E’ vietata la riproduzione e redistribuzione, anche parziale, dell’articolo senza autorizzazione scritta. Se desideri riprodurre i contenuti pubblicati, contattaci.
Immagini: CalTech
Commenta per primo