I ricercatori del Dipartimento di ingegneria biomeccanica della Delft University of Technology hanno creato una nuova classe di metamateriali in grado di modificare dinamicamente il loro comportamento meccanico. Può costituire la base per applicazioni pratiche come l'abbigliamento anticaduta per gli anziani. I risultati saranno pubblicati sul giornale Progressi scientifici il 17 giugno.

I metamateriali sono strutture materiali create artificialmente che derivano le loro proprietà dal loro design microstrutturale interno, piuttosto che la composizione chimica del materiale da cui sono costituiti. I metamateriali possono essere progettati per mostrare proprietà eccezionali che non si trovano in semplici materiali naturali. Per esempio, mentre ci si aspetta intuitivamente che le strutture compresse in una direzione si espandano nella direzione opposta, una classe di metamateriali chiamati materiali auxetici è progettata appositamente per fare l'opposto.

Funzionalità metamateriali meccaniche

Finora, le funzionalità metamateriali meccaniche non hanno sfruttato gli effetti dipendenti dal tempo. Questo è sorprendente, dice il dottor Shahram Janbaz, ricercatore presso il gruppo Biomaterials &Tissue Biomechanics di TU Delft e primo autore dell'articolo, perché molti materiali flessibili utilizzati per costruire metamateriali meccanici, come plastiche a base di polimeri, mostrano un comportamento meccanico che dipende dalla velocità con cui vengono deformati. "Materiali viscoelastici, quando teso, subiscono cambiamenti lenti che dissipano energia. La loro risposta meccanica, perciò, dipende da quanto velocemente li deformi."

Il gruppo, guidato dal Prof. Amir Zadpoor, ora porta la dimensione temporale nella cassetta degli attrezzi del metamateriale meccanico, creando quella che potrebbe essere considerata una nuova classe di metamateriali in grado di cambiare dinamicamente il loro comportamento meccanico.

Il team ha costruito alti pilastri costituiti da due materiali diversi:un lato è realizzato con un materiale che risponde alla velocità di deformazione mentre il materiale dell'altro lato non si preoccupa della velocità con cui si deforma. Quando si applica una forza di compressione lungo la direzione dell'asse lungo di questo "bi-beam, "l'elasticità di entrambi i materiali fa sì che non si rompa ma anzi si pieghi.

Strane proprietà

I ricercatori hanno dimostrato che il doppio raggio si piega in modo prevedibile sul lato sinistro o destro a seconda della velocità di compressione. Questo comportamento dipendente dalla velocità di deformazione delle travi doppie è la chiave per creare nuovi materiali con proprietà strane mai viste prima. "Tutto quello che devi fare è trovare un modo intelligente per assemblare bi-beam e le probabilità sono abbastanza buone di trovare un comportamento meccanico che non è mai stato segnalato prima, "dice Zadpoor.

Janbaz spiega:"Ad esempio, abbiamo collegato due paralleli, bi-travi specchiate tra loro attraverso connettori rigidi come una cella elementare di base che può essere ripetuta in tutte le direzioni per creare una struttura reticolare tridimensionale in metamateriale. L'abbiamo trovato, aumentando la velocità di deformazione, il comportamento meccanico di una tale cella è passato completamente da auxetico a convenzionale." I video che accompagnano la pubblicazione mostrano come un reticolo composto da celle unitarie interconnesse si restringe per basse velocità di compressione e si espande per alte velocità.

Applicazioni

Una delle potenziali applicazioni dei metamateriali che mostrano tale comportamento di commutazione è quella della protezione contro le cadute. Dice Zadpoor, "Immagina uno strato indossabile. In circostanze normali, è morbido e segue i movimenti del corpo. Quando si verifica un impatto, il materiale cambia comportamento, fungendo da ammortizzatore." Questo potrebbe aiutare le persone che soffrono di osteoporosi, dove le fratture ossee costituiscono una complicanza maggiore.

I ricercatori hanno anche creato reticoli a doppia trave che sono programmati per diventare meno rigidi se vengono tesi più rapidamente. Questo comportamento può essere chiamato viscoelasticità negativa e non è stato osservato prima nei solidi.

Anche se potrebbe essere difficile creare bi-travi molto più piccoli dello stesso design dei sistemi modello di dimensioni centimetriche testati qui, i ricercatori vedono la possibilità di utilizzare tecniche di stampa 3D per creare reticoli di minuscoli fasci bi-travi.

I ricercatori sono entusiasti del potenziale del loro design a doppio raggio. "Ci aspettiamo che questo elemento di base possa essere utilizzato per creare una ricca varietà di comportamenti meccanici, "dice Janbaz.