In una scoperta che potrebbe aprire la strada a nuovi materiali e applicazioni, gli scienziati dei materiali del Rensselaer Polytechnic Institute hanno scoperto che i carichi oscillanti a determinate frequenze possono portare ad aumenti di parecchie volte della resistenza dei compositi con un'interfaccia modificata da uno strato molecolare di "nanocolla".

Un articolo appena pubblicato su Comunicazioni sulla natura riporta l'inaspettata scoperta degli effetti della frequenza di carico sull'energia di frattura di un composito multistrato che coinvolge una "nanocolla, " il cui uso è stato anche sperimentato a Rensselaer.

"Dissotterrare, comprensione, e la manipolazione di fenomeni su scala nanometrica alle interfacce durante gli stimoli dinamici è una chiave per progettare nuovi materiali con nuove risposte per le applicazioni, " disse Ganpati Ramanath, il John Tod Horton Professor of Materials Science and Engineering a Rensselaer e l'autore principale dello studio. "Il nostro lavoro dimostra che l'introduzione di uno strato di nanocolla in corrispondenza di un'interfaccia di un composito stratificato può portare a un grande indurimento meccanico a determinate frequenze di carico".

Ramanath e il suo team di collaboratori hanno scoperto che, a determinate frequenze di carico, l'energia necessaria per fratturare un composito polimero-metallo-ceramica modificato con nanocolla è triplicata, e ha superato l'energia di frattura del carico statico. Questo comportamento è imprevisto e significativo perché l'energia di frattura è tipicamente inferiore durante il carico ciclico rispetto a quanto lo sia durante il carico statico. Tale indurimento dipendente dalla frequenza è stato osservato solo quando è stato utilizzato uno strato di nanocolla per legare il metallo e la ceramica.

I risultati mostrano anche che mentre il nanostrato è necessario per l'indurimento, la gamma di frequenza e l'entità dell'indurimento sono determinate principalmente dalle proprietà meccaniche del polimero nel composito. Nello specifico, la nanocolla facilita il trasferimento del carico attraverso l'interfaccia metallo-ceramica e dissipa l'energia nel polimero attraverso la deformazione plastica, portando ad un aumento dell'energia di frattura.

"La nostra scoperta apre una serie completamente nuova di possibilità per progettare compositi con nuove risposte utilizzando diverse combinazioni di polimeri e nanostrati interfacciali. Ad esempio, potremmo realizzare una classe completamente nuova di compositi intelligenti che possono indurire significativamente, o forse anche autodistruggersi, a determinate frequenze, " disse Ramanath.

"Le nostre scoperte sugli accoppiamenti beneficiari tra l'effetto della nanocolla e le proprietà di un componente in un composito durante il caricamento ciclico aprono un nuovo paradigma nell'ingegneria dell'affidabilità, " ha detto il co-autore Michael Lane, il professore di chimica Billie Sue Hurst all'Emory &Henry College. "La manipolazione dell'accoppiamento può effettivamente rendere i compositi più robusti solo nelle condizioni di carico che abbiamo tradizionalmente cercato di evitare, e quindi, può ampliare notevolmente l'ambito e migliorare le prestazioni dei compositi nelle applicazioni".