Un nuovo studio pubblicato su Progressi scientifici scoperto che alcuni tipi di materiali hanno una "memoria" di come sono stati elaborati, immagazzinato, e manipolato. I ricercatori sono stati quindi in grado di utilizzare questa memoria per controllare il modo in cui un materiale invecchia e per codificare proprietà specifiche che gli consentono di svolgere nuove funzioni. Questo approccio creativo alla progettazione dei materiali è stato il risultato di una collaborazione tra Andrea Liu di Penn e Sidney R. Nagel, Nidhi Pashine, e Daniel Hexner dell'Università di Chicago.

Liu e Nagel hanno lavorato insieme per molti anni sulla fisica dei sistemi disordinati. A differenza dei sistemi ordinati, che hanno schemi sistematici e ripetitivi, i sistemi disordinati sono disposti in modo casuale. Un esempio illustrativo è un muro naturale fatto di terra compatta, dove i singoli grani non sono impilati ordinatamente ma invece si raggruppano insieme per formare una struttura rigida. I ricercatori sono interessati a questi sistemi perché la loro casualità consente loro di essere facilmente trasformati in nuovi metamateriali meccanici con proprietà meccaniche uniche.

Una proprietà importante che gli scienziati dei materiali vorrebbero controllare è come un materiale risponde quando viene applicata una forza esterna. Quando la maggior parte dei materiali viene allungata in una direzione, si restringono perpendicolarmente, e quando compressi si espandono perpendicolarmente, come un elastico, quando è teso diventa sottile, e quando compresso diventa più spesso.

Materiali che fanno il contrario, quelli che si restringono perpendicolarmente quando vengono compressi e diventano più spessi quando vengono allungati, sono conosciuti come auxetici. Questi materiali sono rari, ma si sospetta che assorbano meglio l'energia e siano più resistenti alla frattura. I ricercatori sono interessati alla creazione di materiali auxetici per contribuire a migliorare la funzione dei materiali che, tra l'altro, potrebbe assorbire gli urti.

In questo studio, i ricercatori volevano vedere se potevano usare la "memoria" di un materiale disordinato delle sollecitazioni precedenti che aveva incontrato per trasformare il materiale in qualcosa di nuovo. Primo, hanno eseguito simulazioni al computer di materiali normali sotto pressione e hanno alterato selettivamente i legami atomici per vedere quali cambiamenti potrebbero rendere il materiale auxetico. Hanno scoperto che, tagliando i legami lungo le zone maggiormente sollecitate dall'esterno, potrebbero creare digitalmente un materiale auxetico.

Utilizzando questa intuizione, il team ha quindi preso un materiale simile al polistirolo e ha aggiunto "memoria" consentendo al materiale di invecchiare sotto specifiche sollecitazioni. Per rendere il materiale auxetico hanno applicato una pressione costante al materiale e lo hanno lasciato invecchiare naturalmente. "Con tutta la faccenda sotto pressione, si è regolato da solo. Si trasformò da materiale normale in metamateriale meccanico, "dice Liù.

Questo processo incredibilmente semplice ed efficace è un passo avanti verso una scienza dei materiali "Santo Graal" di essere in grado di creare materiali con specifiche strutture a livello atomico senza la necessità di apparecchiature ad alta risoluzione o modifiche a livello atomico. L'approccio descritto in questo documento richiede invece solo un po' di pazienza mentre il sistema acquisisce "memoria" e poi invecchia naturalmente.

Liu dice che è un modo "totalmente diverso" di pensare alla creazione di nuovi materiali. "Si inizia con un sistema disordinato, e se applichi le giuste sollecitazioni puoi farla uscire con le proprietà che desideri, " lei dice.

Questo lavoro ha anche una forte connessione con le strutture in biologia. organi, enzimi, e le reti di filamenti sono esempi naturali di sistemi disordinati che sono difficili da emulare sinteticamente a causa della loro complessità. Ora, i ricercatori potrebbero utilizzare questo approccio più semplice come punto di partenza per creare complesse strutture create dall'uomo che traggono ispirazione dall'ampia gamma di proprietà osservate in biologia.

Nagel è ottimista per il futuro. "Oltre a realizzare materiali auxetici, " lui dice, "abbiamo anche usato un computer per progettare in un preciso controllo meccanico di parti distanti del materiale applicando sollecitazioni locali. Anche questo è ispirato dall'attività biologica. Ora dobbiamo vedere se questo, pure, può essere fatto lavorare invecchiando un materiale reale in laboratorio."

"Le possibilità in questa fase sembrano illimitate, " afferma Nagel. "Solo attraverso un ulteriore lavoro teorico e sperimentazione cominceremo a capire quali sono i limiti a questo nuovo concetto di design dei materiali".