Giulia Greer, professore di scienze dei materiali, meccanica e ingegneria medica nella divisione di ingegneria e scienze applicate di Caltech, crea materiali da blocchi di costruzione su micro e nanoscala che sono organizzati in architetture sofisticate che possono essere periodiche, come un reticolo, o arbitrario. Descritto come "materiale architettonico, " a volte mostrano proprietà insolite. Ad esempio, Greer ha creato ceramiche con recuperabilità simile alla schiuma, telai leggeri ma ultra resistenti che possono riprendersi dopo la compressione, e batterie meccanicamente robuste.

Lavorando con Yong-Wei Zhang dell'Institute of High Performance Computing di Singapore, Greer ha determinato che il cedimento dei materiali progettati - il punto in cui si rompono quando vengono compressi o allungati - può essere descritto utilizzando la classica meccanica del continuo, che modella il comportamento di un materiale come una massa continua piuttosto che come particelle individuali (o "discrete").

Questa scoperta implica una dualità con la natura di questi materiali, in quanto possono essere pensati sia come particelle individuali che come un singolo collettivo. Le scoperte di Greer e Zhang sono state annunciate in un articolo pubblicato dalla rivista Materiali funzionali avanzati il 13 dicembre

I materiali progettati sono interessanti per gli ingegneri a causa delle loro proprietà spesso insolite, ma il loro comportamento può essere difficile da prevedere. È impossibile sapere come risponderanno allo stress finché non verranno creati in laboratorio e testati. Come tale, la creazione di questi materiali è stata in gran parte tentativi ed errori:i ricercatori avrebbero immaginato nuove strutture reticolari e poi le avrebbero schiacciate e allungate per vedere quanto fossero forti. Sebbene questo processo abbia portato ad alcune scoperte interessanti, essere in grado di prevedere come si comporterà un determinato reticolo sotto pressione prima di costruirlo effettivamente renderebbe più facile per gli ingegneri creare materiali appositamente costruiti.

Il team ha fabbricato un reticolo di cavi, travi in ​​ossido di alluminio da 50 nanometri di spessore, e poi hanno condotto test di "fallimento":hanno messo il reticolo in tensione e registrato quando e come si è rotto. I test hanno mostrato che il materiale ha un rapporto forza-su-densità, o "forza specifica, " che è quattro volte superiore a quello di qualsiasi altro materiale segnalato fino ad oggi.

È importante sottolineare che i test di fallimento hanno permesso al team di creare una teoria su come i materiali progettati falliscono in generale."Questa nuova analisi ci offre un approccio molto potente alla progettazione di nuovi materiali che sono particolarmente resistenti ai danni e allo strappo pur mantenendo un peso eccezionalmente basso, " dice Greer.

Capire quando e come un materiale si guasta è fondamentale se deve essere utile nelle applicazioni del mondo reale, dove non sarebbe mai stato spinto oltre il punto di fallimento. Tali informazioni consentono la creazione di nuovi materiali che sono più leggeri e resistenti di quelli finora prodotti e che falliranno in modo semplice, modi prevedibili. Al contrario, molti convenzionali (cioè i materiali non architettati) falliscono improvvisamente e in modi che possono essere difficili da prevedere e descrivere, dice Greer.

Il documento si intitola "Dualità discreta-continuum di materiali architettati:fallimento, Difetti, e frattura."