Gli aeroplani sono colossi del cielo; un aereo di linea commerciale ha più di 6 anni, 000 volte più pesante di una grande oca canadese. A 500 miglia orarie, però, questi colossi non sono impermeabili all'impatto, anche dall'oca apparentemente innocua. Tali danni possono causare una serie di problemi, dalle fluttuazioni della pressione atmosferica e dell'altitudine.

I ricercatori dell'USC hanno sviluppato un nuovo materiale che potrebbe riparare tali danni da impatto nell'aria, non appena si verifica. Il gruppo, guidato da Qiming Wang, Stephen Schrank Early Career Chair e assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Sonny Astani, ha creato strutture reticolari 3D, strutture che presentano celle ripetute, che si riprenderanno autonomamente dai danni da impatto, ripristinando prima la forma originaria della struttura e poi sanando le fatali fratture o rotture del materiale.

"Tradizionalmente, strutture reticolari, mentre leggero, hanno una bassa tolleranza ai danni, cioè se c'è impatto, si diffonderà facilmente, eventualmente compromettendo la struttura. Il materiale che abbiamo creato ha un'elevata tolleranza ai danni, "Ha detto Wang.

Il nuovo materiale è caratterizzato da elevata resistenza e rigidità. A differenza dei tradizionali materiali autorigeneranti, Wang ha detto, in caso di frattura, non è richiesto alcun intervento manuale. "Non è necessario rimettere insieme i pezzi fratturati per consentire la guarigione del materiale, " Ha detto Wang. "La caratteristica di memorizzazione della forma del nostro nuovo materiale significa che i pezzi fratturati si allineeranno autonomamente alla forma originale, prima di iniziare la guarigione dei singoli legami."

Il team di ricercatori comprende:USC Viterbi Ph.D. studenti Kunhao Yu, Haixu Du, uno Xin, Kyung Hoon Lee, e Zhangzhengrong Feng; Professore presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale Sonny Astani Sami F. Masri; Professore presso il Dipartimento di Ingegneria Industriale e dei Sistemi Daniel J Epstein Yong Chen; e il Professor Guoliang Huang del Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale dell'Università del Missouri. Il loro lavoro è stato pubblicato in Materiali NPG Asia .

autoguarigione, Forma Memorizzabile e Fotocurabile

Le strutture reticolari 3D non sono facili da fabbricare. Wang ha detto:"Il metodo esistente, l'assemblaggio del laminato strato per strato, richiede molto tempo". Però, Wang ha detto, essere in grado di utilizzare la stampa 3D, sei limitato a materiali specifici. Questi materiali mancano delle proprietà necessarie per l'autoguarigione autonoma.

Per creare un nuovo materiale che avesse tutte le caratteristiche desiderate, i ricercatori si sono basati su un'innovazione precedente:un materiale autorigenerante più simile alla gomma con legami dinamici (legami disolfuro) che attivano l'autoguarigione. Quando questi legami si spezzano, l'applicazione del calore li spinge di nuovo insieme per riformare i legami originari. Mentre auto-guaribile, il materiale simile alla gomma era troppo morbido per sostenere molto peso.

Al fine di incorporare le proprietà necessarie per raggiungere i loro obiettivi, i ricercatori hanno aggiunto domini cristallini, polimeri con elevata rigidità e reattività al calore. "Il materiale è resistente come il teflon. Nei nostri studi, abbiamo scoperto che il materiale potrebbe supportare 1, 000 volte il proprio peso, "Ha detto Wang.

Quando i ricercatori hanno incorporato i domini cristallini, hanno anche aggiunto un'altra proprietà chiave:la memoria di forma, il che significa che i polimeri memorizzano la forma originale della struttura.

Per raggiungere tutti i loro obiettivi, i ricercatori hanno anche aggiunto il gruppo chimico dell'acrilato (spesso usato negli adesivi), che ha reso il materiale fotopolimerizzabile, o reattivo quando il materiale è esposto alla luce. Questa proprietà era essenziale per l'uso di una tecnica di stampa 3D chiamata stereolitografia, per cui la luce fa solidificare il materiale liquido strato dopo strato per formare strutture reticolari solide.

Quando si verifica un danno da impatto, un materiale di solito mostra due forme di deformazione:un'ammaccatura o un cambiamento di forma e fratture strutturali (legami rotti). Tradizionalmente, con materiali auto-riparabili esistenti, Wang ha detto che le fratture potrebbero essere guarite, ma non fino a quando non si è verificato il riallineamento manuale dei pezzi fratturati, in pratica spingendo l'oggetto di nuovo insieme alla sua forma originale. Con il nuovo materiale, il recupero della forma e la riparazione della frattura avvengono entrambi in modo autonomo, con l'applicazione del calore.

Il processo inizia con l'impatto. Una volta che una struttura è danneggiata, il calore remoto, applicato a 80 gradi Celsius (circa 176 gradi Fahrenheit) nello studio, viene applicato per iniziare il processo di ripristino della forma. In questo caso, i ricercatori hanno creato un'ala laterale e vi hanno schiacciato un peso. Una volta danneggiato, il calore è stato applicato. La forma originale dell'ala è stata ripristinata in due minuti. Sotto il calore continuo, i pezzi fratturati iniziano a riformare i legami ea guarire. Dopo sei ore, il materiale è tornato alla sua forza e struttura originale.

In questo studio, i ricercatori hanno completato dieci cicli di danno e guarigione con la stessa struttura. Anche dopo il decimo ciclo, la struttura ha mantenuto lo stesso livello di integrità meccanica dell'originale.

Aerei, Treni e automobili

Queste nuove strutture a traliccio potrebbero essere utilizzate per rinforzare un numero qualsiasi di veicoli, dall'aereo all'automobile. "Quando c'è un incidente, riparare ammaccature e crepe su una carrozzeria è sempre molto problematico, " disse Wang. "Ma se la carrozzeria fosse fatta con le nostre nuove strutture a traliccio, questa riparazione potrebbe avvenire autonomamente, riportare il corpo alla sua forma e funzione originarie, senza costi aggiuntivi o tempi di riparazione eccessivi."

In pratica, Wang vede questo materiale lavorare insieme ai sensori. Se il sensore rileva danni da impatto, verrà attivato un riscaldatore, iniziare il processo di guarigione. Altre applicazioni includono veicoli per la difesa, come serbatoi, o giubbotti antiproiettile/armatura. Wang ha affermato che questo materiale potrebbe offrire periodi di utilizzo più lunghi e una migliore tolleranza ai danni per le parti chiave.

Un'altra applicazione è un risultato diretto della memoria di forma e delle stesse caratteristiche di guarigione. Wang ha detto che se tagli o alteri una struttura per trasformarla in un'altra, ad esempio da un triangolo a una forma kagome (a base di stella), puoi sintonizzare il materiale per mostrare diverse qualità, ad esempio, smorzamento rispetto alla trasmissione di determinate frequenze di vibrazione. Una volta che tale uso è completo, l'applicazione del calore riporterà la struttura alla sua forma originale.