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    I metamateriali offrono materiali multifunzionali per l'ingegneria

    Il metamateriale a sinistra offre molteplici funzionalità modificandone la deformazione. Comprimendolo lentamente (in basso a destra) o velocemente (in alto a destra), possiamo cambiare se il metamateriale si restringe o si espande quando viene compresso. Credito:Università di Amsterdam

    Negli ultimi anni, la popolarità dei metamateriali è aumentata in modo significativo. Questi materiali non si trovano in natura o realizzati mediante reazioni chimiche, ma sono progettati geometricamente nel laboratorio di fisica. I metamateriali possono essere dati speciali, spesso controintuitivo, proprietà. Per la prima volta, i fisici hanno ora sviluppato una cassetta degli attrezzi per creare materiali che presentano più di tali proprietà contemporaneamente. La ricerca è stata pubblicata su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze questa settimana.

    La ricerca che ha portato ai nuovi materiali è stata condotta dai fisici Aleksi Bossart, David Dykstra, Jop van der Laan e Corentin Coulais dell'Università di Amsterdam. Utilizzando la cassetta degli attrezzi, hanno creato un materiale che cambia il suo comportamento poiché viene compresso rapidamente o lentamente. Nuovi materiali come questo possono essere molto utili per gli ammortizzatori delle auto, per materiali da costruzione resistenti ai terremoti o valvole di regolazione del flusso di pressione.

    Materiali di design

    I metamateriali sono materiali ingegnerizzati con proprietà straordinarie. Queste proprietà derivano dalla loro struttura geometrica piuttosto che dalla loro composizione chimica. La complessità dei metamateriali risiede nel loro design, non nel modo in cui sono costruiti:una volta conosciuta la corretta geometria, una stampante 3D è spesso sufficiente per realizzare il materiale. Negli ultimi anni, i fisici sono diventati sempre più abili nel progettare metamateriali con proprietà interessanti. Per esempio, i materiali possono ora essere progettati per essere molto leggeri e molto rigidi, o per mostrare uno strano comportamento meccanico:possono restringersi lateralmente quando vengono compressi, mentre i materiali ordinari si espandono, oppure possono anche comportarsi come cambiaforma programmabili.

    Sebbene non sempre facilmente realizzabile, l'idea sembra quindi semplice:se hai bisogno di un materiale con una proprietà specifica, trova un fisico intelligente per progettarlo per te. Ma cosa succede se hai bisogno di un materiale che ha due proprietà speciali? E se, a seconda delle circostanze, vuoi essere in grado di passare tra le due proprietà?

    Due funzionalità

    Questo è precisamente il tipo di domanda che si incontra quando, Per esempio, ricerca di materiali in grado di resistere ai terremoti. Un materiale del genere dovrebbe rispondere alle piccole vibrazioni che sono presenti nella vita quotidiana di un edificio in modo molto diverso rispetto a quando subisce una scossa a causa di un terremoto. Con applicazioni come questa in mente, Bossart, Dykstra, Van der Laan e Coulais si sono proposti di progettare materiali che abbiano non una ma molteplici funzionalità all'interno di un'unica struttura.

    In particolare, sono riusciti a creare metamateriali che possono ridursi o espandersi lateralmente quando compressi, a seconda della velocità con cui viene esercitata la forza di compressione. Un esempio di tale materiale è mostrato nell'immagine sopra:la chiave delle funzionalità del materiale è nel modello dei suoi fori. Quando si esercita pressione, i fori si deformano collettivamente, ma questo comportamento collettivo è diverso quando la pressione è esercitata lentamente rispetto a quando è esercitata rapidamente.

    Nuovi metamateriali come questo potrebbero essere molto interessanti per tutti i tipi di applicazioni industriali. Un'applicazione potrebbe essere nei materiali da costruzione antisismici, ma i metamateriali potrebbero anche portare ad altre applicazioni di assorbimento dell'energia, si pensi agli ammortizzatori nelle automobili, o a nuovi dispositivi adattabili nella robotica, comprese le valvole di regolazione del flusso.


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