Negli ultimi 20 anni, gli scienziati hanno sviluppato metamateriali, o materiali che non si trovano in natura e le cui proprietà meccaniche derivano dalla loro struttura progettata piuttosto che dalla loro composizione chimica. Consentono ai ricercatori di creare materiali con proprietà e forme specifiche. I metamateriali non sono ancora molto utilizzati negli oggetti di uso quotidiano, ma questo potrebbe presto cambiare. Tian Chen, un post-doc presso due laboratori EPFL:il Laboratorio di Strutture Flessibili, guidato da Pedro Reis, e il Laboratorio di Calcolo Geometrico, guidato da Mark Pauly, ha fatto un passo avanti con i metamateriali, svilupparne uno le cui proprietà meccaniche possono essere riprogrammate dopo che il materiale è stato realizzato. La sua ricerca appare in Natura .

Un unico materiale con più funzioni meccaniche

"Mi chiedevo se ci fosse un modo per cambiare la geometria interna della struttura di un materiale dopo che è stato creato, " dice Chen. "L'idea era di sviluppare un unico materiale in grado di mostrare una gamma di proprietà fisiche, come rigidità e forza, in modo che i materiali non debbano essere sostituiti ogni volta. Per esempio, quando ti giri la caviglia, inizialmente devi indossare una stecca rigida per tenere la caviglia in posizione. Poi mentre guarisce, puoi passare a uno più flessibile. Oggi devi sostituire l'intera stecca, ma la speranza è che un giorno, un unico materiale può svolgere entrambe le funzioni."

Silicio e polvere magnetica

Il metamateriale di Chen è costituito da silicio e polvere magnetica e ha una struttura complicata che consente di variare le proprietà meccaniche. Ogni cella all'interno della struttura si comporta come un interruttore elettrico. "Puoi attivare e disattivare singole cellule applicando un campo magnetico. Questo modifica lo stato interno del metamateriale, e di conseguenza le sue proprietà meccaniche, " dice Chen. Spiega che il suo materiale programmabile è analogo a dispositivi per computer come i dischi rigidi. Questi dispositivi contengono bit di dati che possono essere scritti e letti in tempo reale. Le celle nel suo metamateriale programmabile, chiamati m-bit, funzionano come i bit di un disco rigido:possono essere accesi, rendendo il materiale più rigido, o spento, rendendolo più flessibile. E i ricercatori possono programmare varie combinazioni di accensione e spegnimento per conferire al materiale esattamente le proprietà meccaniche di cui hanno bisogno in un dato momento.

Per sviluppare il suo materiale, Chen ha attinto a metodi sia dall'informatica che dall'ingegneria meccanica. "Questo è ciò che rende il suo progetto così speciale, " dice Pauly. Chen ha anche trascorso molto tempo a testare il suo materiale in ciascuno dei suoi diversi stati. Ha scoperto che potrebbe effettivamente essere programmato per raggiungere vari gradi di rigidità, deformazione e forza.

Molti orizzonti di ricerca

I metamateriali programmabili sono simili alle macchine, come i robot, che impiegano complicati, meccanismi elettronici ad alta intensità energetica. Con le sue ricerche, Chen mira a trovare il giusto equilibrio tra materiali statici e macchine. Reis vede un grande potenziale per ulteriori ricerche utilizzando la tecnologia di Chen. "Potremmo progettare un metodo per creare strutture 3D, poiché quello che abbiamo fatto finora è solo in 2-D, " dice Reis. "Oppure potremmo rimpicciolire la scala per creare metamateriali ancora più piccoli." La scoperta di Chen segna un fondamentale passo avanti, poiché è la prima volta che gli scienziati sviluppano un metamateriale meccanico veramente riprogrammabile. Apre molte strade entusiasmanti per la ricerca e applicazioni industriali all'avanguardia.