Gli scienziati della Tokyo Metropolitan University hanno studiato la resistenza e la tenacità delle colonne di sabbia costituite da una miscela di granelli appiccicosi e non appiccicosi. Hanno scoperto il meccanismo alla base del modo in cui la resistenza cambia quando i grani vengono mescolati in rapporti diversi e come una miscela può aiutare a mantenere la colonna più resistente alla deformazione. I grani non appiccicosi sono inoltre facilmente sostituibili con altri materiali, consentendo la progettazione di materiali più resistenti, resistenti e funzionali.
La materia granulare è costituita da un gran numero di piccoli granelli, come sabbia e polveri. Tali grani possono essere fatti aderire tra loro, producendo materiali resistenti come il cemento. Ma la forza non è tutto. I materiali resistenti possono essere fragili e rompersi facilmente se deformati. La progettazione scientifica di materiali che siano non solo più resistenti ma anche più resistenti continua a rappresentare una sfida per gli scienziati dei materiali.
Un team della Tokyo Metropolitan University guidato dal professor Rei Kurita ha studiato le proprietà meccaniche delle colonne di sabbia, un modello semplice ma potente per la materia granulare. Invece di concentrarsi su granelli che si attaccano tutti tra loro, hanno osservato miscele di sabbia normale non appiccicosa e sabbia "cinetica", granelli rivestiti di olio di silicone che possono attaccarsi l'uno all'altro. La ricerca è pubblicata sulla rivista Communications Physics .
Sebbene il meccanismo dei "grani attraenti" sia relativamente ben compreso, lo stesso non si può dire per i materiali in cui l'appiccicosità è presente solo in un sottoinsieme di grani.
Quando hanno realizzato colonne con diverse proporzioni di grani appiccicosi, hanno scoperto che la resistenza della colonna, caratterizzata da quanto si deformano quando sottoposte a carico, mostra un caratteristico cambiamento graduale.
Quando la percentuale di sabbia appiccicosa raggiunge il 60%, la forza salta improvvisamente a un valore più alto. Una sabbia più appiccicosa non porta ad alcun ulteriore aumento.
Attraverso simulazioni al computer di una configurazione simile, hanno scoperto che questo era esattamente il momento in cui i grani appiccicosi formavano una rete rigida che si estendeva attraverso il campione. Questo deve essere distinto dai grani appiccicosi che si collegano semplicemente attraverso il campione; le linee di grani appiccicosi, ad esempio, possono facilmente deformarsi quando le estremità vengono unite. È solo quando ci sono abbastanza connessioni tra i grani che i grani appiccicosi possono sostenere un peso.
A differenza dei tipici materiali resistenti, tuttavia, queste colonne parzialmente appiccicose mostrano un comportamento unico quando vengono sottoposte a carichi maggiori. Quando la colonna si deforma, le colonne non si rompono; cambiano invece forma:le connessioni tra i grani appiccicosi non vengono semplicemente distrutte ma sono in grado di riorganizzarsi e riformarsi. Ciò rende le colonne non solo forti, ma resistenti.
Il team osserva che poiché oltre il 60% dei grani appiccicosi non cambia la forza, l'altro 40% può essere facilmente sostituito con qualsiasi altro materiale, ad esempio qualcosa con proprietà antibatteriche. Questa caratteristica di progettazione controintuitiva apre la strada a materiali compositi che non sono solo più resistenti e resistenti, ma anche funzionali.
Ulteriori informazioni: Honoka Fujio et al, Meccanismi simili a gel di durabilità e deformabilità in sistemi granulari umidi, Fisica delle comunicazioni (2024). DOI:10.1038/s42005-023-01518-0
Informazioni sul giornale: Fisica delle comunicazioni
Fornito dalla Tokyo Metropolitan University
