In un recente studio pubblicato su Progressi scientifici , gli scienziati dei materiali Julie A. Jackson e colleghi hanno presentato una nuova classe di architettura dei materiali chiamata metamateriali meccanici sensibili al campo (FRMM). Gli FRMM mostrano un controllo dinamico e una sintonizzabilità al volo per la progettazione e la selezione della composizione e della struttura del costrutto. Tipicamente, le proprietà dei metamateriali meccanici sono programmate e impostate quando l'architettura è progettata e costruita, senza cambiare in risposta al cambiamento delle condizioni ambientali esterne o delle applicazioni successive. Le diverse caratteristiche degli FRMM sono state dimostrate per la prima volta stampando strutture complesse di tubi polimerici riempiti con sospensioni fluide magnetoreologiche (MR) per consentire a campi magnetici remoti di controllare i materiali. Di conseguenza, gli scienziati hanno osservato rapidamente, cambiamenti reversibili e considerevoli della rigidità effettiva nei nuovi costrutti metamateriali.

I materiali sintetici spesso imitano le strutture cellulari come denti, becchi di ossa e uccelli in natura per replicare la loro eccellente forza e tenacità rispetto alla densità. I materiali avanzati sono bioingegnerizzati per imitare le strutture cellulari stocastiche (casuali) sotto forma di polimeri e schiume metalliche per applicazioni strutturali e funzionali. La natura può anche creare architetture periodiche dal design evolutivo, dove le strutture cellulari ordinate superano le controparti stocastiche come si vede con le corazze difensive e le mazze dattili nei crostacei. Nel laboratorio, tecniche di produzione additiva e stampa 3D sono utilizzate per progettare strutture cellulari con nano-, micro-, caratteristiche su meso e macroscala che mostrano combinazioni uniche di meccanica, proprietà funzionali e termiche. Spesso indicati come metamateriali, le strutture hanno dimostrato caratteristiche innovative, Compreso:

• leggero, ma allo stesso tempo un'architettura rigida e resistente nei nanolattici ceramici 3D
• Elevata resilienza meccanica nei microlattici periodici di aerogel 3-D di grafene.
• Rapporto di Poisson negativo nei metamateriali basati su origami.
• Mantelli elastomeccanici di "insensibilità" e mantelli dell'invisibilità
• Layout multimateriale con coefficienti di dilatazione termica negativi.

Questi materiali combinano due o più caratteristiche contrastanti per proprietà uniche, ma la loro architettura rimane fissa nel tempo dopo la fabbricazione. Di conseguenza, i materiali non possono rispondere e adattarsi alle mutevoli condizioni esterne. I materiali adattabili e reattivi sono sempre più ingegnerizzati tramite la stampa 4-D, in cui la quarta dimensione rappresenta il tempo, attualmente emergente come una nuova area di ricerca nella scienza dei materiali.

Il termine 4-D rappresenta materiali stampati in 3-D che possono cambiare forma o funzionare in risposta a condizioni o stimoli esterni, compresa la forza meccanica, rigonfiamento e campi magnetici. Le manifestazioni esistenti, però, mancano di un controllo deterministico delle proprietà meccaniche o mostrano una cinetica lenta per le trasformazioni chimiche previste. In questo studio, Jackson et al., rivelano una nuova classe di metamateriali meccanici sensibili al campo (FRMM) che sono stampati in 3D per esibire programmabili, predittivo, proprietà meccaniche reversibili e controllate in risposta rapida a un campo magnetico remoto.

I tubi polimerici cavi stampati in 3D o i montanti che formano i mattoni dei reticoli sono stati riempiti con sospensioni fluide magnetoreologiche (MR). Gli scienziati hanno utilizzato il sistema LAPµSL per la stampa 3D personalizzata strato per strato proiettando modelli di luce UV su una resina fotopolimerizzabile per costruire strutture 3D da una pila di immagini 2D. Per coerenza, hanno replicato un protocollo precedentemente stabilito sulla microstereolitografia. I fluidi MR contenevano microparticelle ferromagnetiche in liquidi non magnetici che potevano cambiare rapidamente la viscosità in risposta a un campo magnetico applicato. In assenza di campo magnetico, il fluido MR aveva un comportamento simile a un liquido, con particelle distribuite casualmente che scorrevano liberamente per formare una pozza su un substrato planare. Quando viene applicato un campo magnetico, le particelle si allineavano in catene lungo le linee di campo e formavano una serie spiculare di strutture simili a lame che assomigliavano a depositi di stalattiti. La viscosità del fluido è aumentata in modo monotono per raggiungere un plateau di saturazione a un'intensità del campo magnetico di ~ 0,3 T.

Nello studio, le prove magneto-meccaniche sono state condotte con compressione e flessione a sbalzo. Ogni cilindro (puntone) è stato riempito con fluido MR disponibile in commercio, che comprendeva il 50 percento di particelle di ferro carbonile (che vanno da 4 a 20 um) in un olio stabilizzatore di particelle di idrocarburi. Ogni test magneto-meccanico è stato ripetuto a diverse intensità di campo magnetico, dove il campo è stato allineato parallelamente alla direzione della forza applicata per ottenere una serie di curve forza-spostamento. Tra i diversi orientamenti, la rigidezza effettiva era maggiore quando il campo applicato era parallelo alla direzione della forza. I test sono stati utilizzati per calibrare il modello a livello di un singolo puntone e, in definitiva, prevedere la risposta sul campo di un'architettura reticolare più grande.

Gli scienziati hanno utilizzato una teoria del fascio composito standard, dove l'analisi ha assunto la teoria della flessione di Eulero-Bernoulli per derivare un modello del puntone. La teoria includeva l'effettiva rigidità elastica del fluido MR e la rigidità elastica dei puntoni (modulo di Young). Il modello analitico ipotizzava una relazione lineare tra la resistenza meccanica e l'aumento del campo magnetico. Gli esperimenti sono stati mantenuti al di sotto del valore di soglia di 0,3 T poiché il fluido MR è stato precedentemente osservato saturare a questo valore.

Gli scienziati hanno mostrato la fattibilità dell'approccio di fabbricazione e collaudo meccanico per architetture più complesse stampando in 3D celle unitarie di cubottaedro utilizzando il processo LAPµSL. Le celle unitarie sono state rimosse da qualsiasi resina liquida prepolimerica e iniettate con il fluido MR. La procedura di riempimento (o riempimento) ha avuto successo quando la struttura è stata orientata per evitare bolle di gas intrappolate.

Jackson et al. testato le celle unitarie cubottaedro in un apparato personalizzato variando la distanza del magnete dalla struttura della cella unitaria per controllare l'intensità del campo magnetico. Hanno calcolato la relazione tra il modulo di Young effettivo e l'intensità del campo magnetico della cella elementare attraverso test di compressione. Il tempo di risposta è stato misurato dalla velocità con cui le proprietà meccaniche sono cambiate nel materiale in risposta all'applicazione o alla rimozione di un campo magnetico. La reversibilità dei risultati magneto-meccanici è stata testata anche con una misura a deformazione controllata, dove la cellula ha oscillato tra gli stati di attivazione/disattivazione del campo mentre era sotto il 10 percento di deformazione compressiva. Le particelle magnetiche sono passate più velocemente da uno stato di disordine all'ordine quando è stato applicato il campo magnetico.

Gli scienziati hanno mostrato la possibilità di creare un FRMM di area più ampia stampando un reticolo di cubottaedro con una disposizione 2 per 2 per 2 di celle unitarie. Per produrre gli esemplari, i reticoli cavi drenati sono stati iniettati con fluido MR come prima, ma in questo caso con due siringhe attaccate a ciascuna cella unitaria. Di nuovo, la risposta di rigidità del reticolo è stata misurata in funzione dell'intensità del campo magnetico.

Per osservare l'effetto della risposta di campo del reticolo metamateriale meccanico, gli scienziati hanno posizionato un carico statico di 10 g di massa, con una condizione iniziale di 0,11 T massimo campo magnetico applicato. Quando il campo magnetico è stato lentamente rimosso, la rigidità effettiva è diminuita, deformando il reticolo sotto il carico per comprimere e piegare. Dopo la rimozione completa del magnete, la massa scivolò via dalla superficie del reticolo per mostrare la mutata capacità di carico. Gli FRMM possono modificare la rigidità in un esperimento controllato dallo stress, regolando unicamente il campo magnetico. Il lavoro ha dimostrato i primi FRMM sintonizzabili con una gamma dinamica di reazioni meccaniche rapide e reversibili in risposta a campi magnetici applicati a distanza.

Il processo di sviluppo è agile e semplice per la replica, basato sulla stampa 3D, combinato con metodi di erogazione controllata di fluidi per progettare una nuova classe di metamateriali meccanici microarchitettonici. I futuri FRMM possono essere composti da reti microfluidiche attive per regolare il flusso di fluidi RM in micro-compartimenti per un'accessibilità controllata nel tempo. La modellatura magnetica può aumentare il controllo direzionale per una varietà di applicazioni. Gli scienziati prevedono l'uso di FRMM in un'ampia gamma di applicazioni emergenti tra cui la robotica morbida, come caschi "resistenti agli urti" ad adattamento rapido per ciclisti e come dispositivi indossabili intelligenti con cancellazione del rumore.

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