I materiali riconfigurabili possono fare cose incredibili. Le lenzuola piatte si trasformano in un volto. Un cubo estruso si trasforma in decine di forme diverse. Ma c'è una cosa che un materiale riconfigurabile deve ancora essere in grado di cambiare:la sua topologia sottostante. Un materiale riconfigurabile con 100 celle avrà sempre 100 celle, anche se quelle cellule sono allungate o schiacciate.

Ora, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato un metodo per modificare la topologia fondamentale di un materiale cellulare su microscala. La ricerca è pubblicata su Natura .

"La creazione di strutture cellulari in grado di cambiare dinamicamente la loro topologia aprirà nuove opportunità nello sviluppo di materiali attivi con crittografia delle informazioni, intrappolamento selettivo delle particelle, così come meccanica sintonizzabile, proprietà chimiche e acustiche, " ha detto Joanna Aizenberg, l'Amy Smith Berylson Professore di Scienza dei Materiali presso SEAS e Professore di Chimica e Biologia Chimica e autore senior dell'articolo.

I ricercatori hanno sfruttato la stessa fisica che unisce i nostri capelli quando si bagnano:la forza capillare. La forza capillare funziona bene su morbido, materiale conforme, come i nostri capelli, ma lotta con strutture cellulari rigide che richiedono la flessione, allungamento o piegatura delle pareti, soprattutto intorno forte, nodi connessi. Anche la forza capillare è temporanea, con materiali che tendono a tornare alla loro configurazione originale dopo l'essiccazione.

Al fine di sviluppare un metodo duraturo ma reversibile per trasformare la topologia delle microstrutture cellulari rigide, i ricercatori hanno sviluppato una strategia dinamica a due livelli. Cominciarono con un rigido, microstruttura cellulare polimerica con una topologia reticolare triangolare, e lo espose a goccioline di un solvente volatile scelto per rigonfiare e ammorbidire il polimero su scala molecolare. Ciò ha reso il materiale temporaneamente più flessibile e in questo stato flessibile, le forze capillari imposte dal liquido in evaporazione avvicinavano i bordi dei triangoli, cambiando le loro connessioni tra loro e trasformandole in esagoni. Quindi, poiché il solvente evapora rapidamente, il materiale si è asciugato ed è rimasto intrappolato nella sua nuova configurazione, ritrovando la sua rigidità. L'intero processo è durato pochi secondi.

"Quando pensi alle applicazioni, è molto importante non perdere le proprietà meccaniche di un materiale dopo il processo di trasformazione, " disse Shucong Li, uno studente laureato presso l'Aizenberg Lab e co-primo autore dell'articolo. "Qui, abbiamo dimostrato che possiamo iniziare con un materiale rigido e finire con un materiale rigido attraverso il processo di ammorbidimento temporaneo nella fase di riconfigurazione".

La nuova topologia del materiale è così resistente che può resistere al calore o essere immerso in alcuni liquidi per giorni senza smontare. La sua robustezza ha effettivamente rappresentato un problema per i ricercatori che speravano di rendere reversibile la trasformazione.

Per tornare alla topologia originale, i ricercatori hanno sviluppato una tecnica che combina due liquidi. Il primo gonfia temporaneamente il reticolo, che sbuccia le pareti aderite degli esagoni e consente al reticolo di tornare alla sua struttura triangolare originale. Il secondo, il liquido meno volatile ritarda l'emergere delle forze capillari fino a quando il primo liquido non è evaporato e il materiale ha riacquistato la sua rigidità. In questo modo, le strutture possono essere montate e smontate ripetutamente e intrappolate in qualsiasi configurazione intermedia.

"Per estendere il nostro approccio ai reticoli arbitrari, era importante sviluppare un modello teorico generalizzato che collegasse le geometrie cellulari, rigidità del materiale e forze capillari, " disse Bolei Deng, co-autore del paper e dottorando nel laboratorio di Katia Bertoldi, il Professore William e Ami Kuan Danoff di Meccanica Applicata presso SEAS.

Guidato da questo modello, i ricercatori hanno dimostrato trasformazioni topologiche reversibili programmate di varie geometrie reticolari e materiali reattivi, compreso trasformare un reticolo di cerchi in quadrati.

I ricercatori hanno esplorato varie applicazioni per lo studio. Per esempio, il team ha codificato modelli e disegni nel materiale creando minuscoli, modifiche invisibili alla geometria del reticolo triangolare.

"Puoi immaginare che questo venga utilizzato per la crittografia delle informazioni in futuro, perché non puoi vedere il modello nel materiale quando è nel suo stato non assemblato, " disse Li.

I ricercatori hanno anche dimostrato una trasformazione altamente locale, montando e smontando le regioni del reticolo con una minuscola goccia di liquido. Questo metodo potrebbe essere utilizzato per regolare le proprietà di attrito e bagnatura di un materiale, modificarne le proprietà acustiche e la resilienza meccanica, e persino intrappolare particelle e bolle di gas.

"La nostra strategia potrebbe essere applicata a una vasta gamma di applicazioni, " disse Bertoldi, che è anche co-autore del documento. "Possiamo applicare questo metodo a diversi materiali, compresi i materiali reattivi, diverse geometrie e diverse scale, anche la nanoscala, dove la topologia gioca un ruolo chiave nella progettazione di meta-superfici fotoniche sintonizzabili. Lo spazio di progettazione per questo è enorme".