Ciotole pieghevoli per cani, tubi medici pieghevoli e cannucce sembrano funzionare tutti su un principio comune, scattare in una varietà di stati meccanicamente stabili e utili. Nonostante le numerose applicazioni per tali strutture di "materia di design", però, i meccanismi fondamentali del loro funzionamento sono rimasti finora misteriosi, affermano gli scienziati dei materiali dell'Università del Massachusetts Amherst guidati da Ryan Hayward.

Ora lui e i suoi colleghi, tra cui il primo autore ed ex studente di dottorato di Hayward, Nakul Bende, e il loro collega di UMass Amherst, il fisico teorico Christian Santangelo, con il meccanico James Hanna e gli studenti della Virginia Tech, riferiscono di aver capito come queste strutture "multistabili" composte da sezioni coniche impilate vengono caricate con precompressione, tensione repressa che sorge "perché il materiale è forzato in un anello chiuso che è più strettamente curvo di quanto naturalmente voglia essere, ", come spiega Hayward.

"Ciò che abbiamo scoperto è che la proprietà molto utile di essere meccanicamente stabile in una configurazione piegata sembra richiedere una pre-sollecitazione. Per quanto ne sappiamo, nessuno aveva mai guardato come e perché tali strutture hanno stabilità nello stato piegato, " Aggiunge.

Egli fa notare, "Ci sarà utile per comprendere questo principio fondamentale, che è fondamentale quando si progettano nuove applicazioni. Se hai intenzione di costruire un dispositivo riconfigurabile, è importante sapere perché funziona, e quando potrebbe non riuscire." I dettagli vengono visualizzati nell'attuale numero online di Materia morbida .

Hayward afferma che i meccanismi che spiegano la capacità dei tubi corrugati di essere allungati e contratti in lunghezza sono "abbastanza ben stabiliti, " così come l'idea che spostare materiali tra stati meccanicamente stabili richieda il superamento di una barriera energetica. Giocando con una varietà di tubi pieghevoli colorati sulla sua scrivania, dimostra che il tubo mantiene la sua forma in entrambi gli stati, e che una barriera energetica viene attraversata quando entra ed esce da ciascuno.

"Il mistero è perché questo tubo di coni impilati dovrebbe essere stabile nello stato piegato, " osserva. "Non c'è una ragione ovvia per cui una cannuccia flessibile dovrebbe voler essere stabile quando piegata".

Per sperimentare questo, lui e i suoi colleghi hanno tagliato un tubo nel senso della lunghezza per vedere cosa sarebbe successo. Tagliando il tubo, lui dice, "abbiamo capito che il tubo si sarebbe aperto e appiattito, che è stato un momento fortuito. Era qualcosa che dovevamo tornare indietro e cercare di capire. Questa è stata la chiave per scoprire il ruolo del pre-stress. Abbiamo scoperto che quando rilassi la curvatura, la mancanza di energia immagazzinata elimina la stabilità nello stato piegato. Abbiamo anche costruito dei tubi che abbiamo forzato a chiudere a raggio minore, per introdurre il pre-stress, e ho scoperto che questo ripristinava la capacità di mantenere una forma piegata."

Hanno analizzato questo effetto "pre-stress" attraverso l'analisi della curvatura durante la deformazione utilizzando la tomografia computerizzata a raggi X e con un semplice modello meccanico che ha catturato il comportamento qualitativo dei sistemi altamente riconfigurabili.

Gli autori sottolineano che "sono stati scoperti molti meccanismi biologici che sfruttano le transizioni snap-through tra stati meccanicamente stabili di strutture elastiche snelle per ottenere un movimento rapido. Mentre gran parte della letteratura si è concentrata sulla bistabilità, i sistemi che supportano più stati stabili sono attraenti per la progettazione di strutture altamente riconfigurabili, "come quelli di cui riferiscono.