Le schiume metalliche sviluppate dagli scienziati dei materiali Stefan Diebels e Anne Jung della Saarland University Strong sono abbastanza forti da poter essere utilizzate nei sistemi di protezione dagli urti nelle auto, e sono in grado di assorbire le onde d'urto prodotte da una detonazione. Il loro super leggero, schiume metalliche estremamente resistenti possono essere personalizzate per un'ampia gamma di applicazioni.

L'ispirazione per il nuovo sistema di schiuma è venuta dalle ossa. Utilizzando un processo di rivestimento brevettato, il team di Saarbrücken ha prodotto molto stabile, schiume metalliche porose utilizzabili, Per esempio, nei progetti di costruzione leggera. Il substrato reticolare iniziale è una schiuma di alluminio o polimerica, non dissimile da una spugna da cucina. Il team di ricerca e la start-up che il loro lavoro ha generato (Mac Panther Materials GmbH, Brema, Germania) sarà ad Hannover Messe, dove presenteranno il loro processo dal 1 al 5 aprile presso lo stand di ricerca e innovazione del Saarland (padiglione 2, Stand B46).

Le ossa sono uno dei tanti sviluppi ingegnosi della natura. Sono forti e stabili e possono sopportare carichi quasi quanto l'acciaio. Ma nonostante la loro forza, le ossa sono incredibilmente leggere. Il segreto sta nella combinazione di un guscio esterno duro che racchiude un materiale poroso, rete reticolare di tessuto osseo all'interno dell'osso. Questa struttura consente di risparmiare materiale e riduce il peso. Le schiume metalliche imitano queste strutture ossee naturali.

Le schiume sintetiche sono porose, strutture a celle aperte realizzate in metallo e che hanno l'aspetto di una spugna. Le schiume metalliche attualmente disponibili sono opportunamente leggere, ma il processo di produzione è complicato e costoso. La stabilità delle strutture in schiuma spugnosa esistenti è ancora troppo debole e non abbastanza resiliente per molte applicazioni. Questo è vero per la schiuma di alluminio, che è il tipo più comune prodotto oggi. "Questo è il motivo per cui le schiume metalliche finora non hanno avuto alcun impatto reale sul mercato, " spiega lo scienziato dei materiali Stefan Diebels, professore di meccanica applicata alla Saarland University.

Il suo gruppo di ricerca ha trovato un modo per rafforzare significativamente la struttura reticolare delle schiume metalliche, producendo un peso leggero, materiale estremamente stabile e versatile. Diebels e la scienziata dei materiali Dr. Anne Jung hanno sviluppato una procedura brevettata per rivestire i singoli montanti che compongono il reticolo interno a celle aperte. Di conseguenza, l'esterno della schiuma è più forte e più stabile, e la struttura è ora in grado di sopportare carichi estremi. Però, la schiuma trattata rimane sorprendentemente leggera.

Il team ha iniziato utilizzando schiume di alluminio, ma ora stanno usando schiume poliuretaniche poco costose la cui forza deriva interamente dal sottile rivestimento metallico applicato alla struttura reticolare. "Le schiume metalliche risultanti hanno una bassa densità, una grande superficie ma un piccolo volume. In relazione al loro peso, queste schiume sono estremamente resistenti e rigide, " dice Stefan Diebels. Infatti, sono così forti che vengono utilizzati come barriere mobili per fornire protezione dalle onde d'urto causate da esplosioni. Anche se esposto a detonazioni subacquee, le schiume semplicemente "inghiottono" le onde sonore e di pressione risultanti, proteggendo così gli organismi marini sensibili dagli effetti di queste potenti onde d'urto.

"La maggior parte delle applicazioni su cui ci concentriamo sono generalmente meno spettacolari, come l'uso delle nostre schiume nella costruzione leggera, " spiega la dottoressa Anne Jung, un ricercatore senior nel gruppo di Diebels.

Molti prodotti possono essere resi più leggeri e stabili traendo ispirazione dall'ingegnosità del design della natura. Per esempio, strutture portanti in automobili e aeroplani potrebbero essere fabbricate dalla schiuma metallica. "Possono essere installati come puntoni di rinforzo nella carrozzeria, fornendo allo stesso tempo protezione dagli impatti. I puntoni possono assorbire grandi quantità di energia e sono in grado di assorbire la forza di una collisione quando parti del nucleo poroso si fratturano sotto l'impatto, " spiega Anne Jung.

Numerosi sono i campi di applicazione di queste schiume, come nella catalisi, poiché il materiale è poroso e consente quindi il passaggio di liquidi e gas, o per l'assorbimento degli urti o come scudo termico, poiché le schiume presentano un'eccellente resistenza al calore. Il materiale espanso può essere utilizzato anche per schermature elettromagnetiche o in applicazioni architettoniche, dove trova impiego come rivestimento fonoassorbente o come elemento di design edilizio.

Il rivestimento viene applicato in un bagno galvanico. L'aspetto più impegnativo del processo di galvanica è stato ottenere un rivestimento uniforme dello strato ultrasottile in tutto l'interno della struttura in schiuma. "Il problema, " spiega Anne Jung, "è che la schiuma metallica agisce come una gabbia di Faraday." Poiché l'interno della schiuma è circondato da materiale elettricamente conduttore, la corrente elettrica e quindi il rivestimento viene deviata verso l'esterno del corpo in schiuma e non viaggia attraverso l'interno della schiuma:è simile a ciò che accade quando un fulmine colpisce un'auto. La svolta è arrivata quando Anne Jung ha deciso di utilizzare una speciale gabbia anodica, che le permette di applicare una divisa, rivestimento nanocristallino su tutta la rete reticolare. "Il metodo brevettato funziona anche su scala industriale con schiume con superfici molto ampie, "aggiunge Jung.

Il team di Saarbrücken è autore di numerosi importanti articoli scientifici nel settore, ed è ora considerato uno dei gruppi di ricerca leader a livello mondiale nella caratterizzazione micromeccanica di questi reticoli metallici porosi. Utilizzando una serie di esperimenti, simulazioni, prove di trazione e compressione, microscopia ottica e tomografia computerizzata a raggi X, il gruppo di ricerca ha esaminato la struttura, geometria dei pori e curvatura dei montanti e hanno mostrato come la variazione dello spessore del nanorivestimento possa conferire proprietà diverse ai materiali espansi. Variando la composizione del rivestimento, il suo spessore o la dimensione dei pori, il team è in grado di personalizzare le schiume per soddisfare le diverse esigenze applicative. Per esempio, il nanorivestimento della struttura reticolare a celle aperte con nichel produce schiume particolarmente resistenti, con il rame il materiale espanso presenta un'elevata conduttività termica, con l'argento hanno buone proprietà antibatteriche, e con l'oro la schiuma è altamente decorativa. Il gruppo di ricerca di Saarbrücken, che comprende studenti e dottorandi, stanno continuando a lavorare per ottimizzare sia il processo produttivo che il materiale stesso.

Al fine di facilitare l'applicazione commerciale e industriale dei risultati della loro ricerca, i ricercatori di Saarbrücken hanno avviato un progetto pilota di trasferimento tecnologico insieme al Knowledge and Technology Transfer Office (KWT) dell'Università del Saarland e ai partner esterni Dr. Andreas Kleine e Michael Kleine, e hanno fondato la società Mac Panther Materials GmbH con sede a Brema. Sia il dottor Jung che il professor Diebels hanno una partecipazione nella nuova società, così come la società di trasferimento di conoscenze e tecnologia dell'Università del Saarland WuT.