Un team di ricercatori ha sviluppato una classe completamente nuova di metamateriali in grado di rispondere quasi istantaneamente e irrigidire le strutture stampate in 3D se esposte a un campo magnetico, uno sviluppo che potrebbe essere applicato ai caschi di nuova generazione, armatura indossabile e una miriade di altre innovazioni.

I "metamateriali meccanici sensibili al campo" (FRMM) utilizzano un viscoso, fluido magneticamente reattivo che viene iniettato manualmente nei montanti cavi e nelle travi dei reticoli stampati in 3D. A differenza di altri materiali per il morphing della forma o dei cosiddetti materiali "stampati in 4-D" (la quarta dimensione è il tempo), la struttura complessiva degli FRMM non cambia. Le particelle ferromagnetiche del fluido situate nel nucleo delle travi formano catene in risposta al campo magnetico che irrigidisce il fluido e di conseguenza la struttura reticolare. Questa risposta avviene rapidamente, in meno di un secondo. Il giornale Progressi scientifici ha pubblicato oggi la ricerca online.

"In questo articolo volevamo davvero concentrarci sul nuovo concetto di metamateriali con proprietà sintonizzabili, e anche se è un po' più un processo di fabbricazione manuale, evidenzia ancora cosa si può fare, ed è quello che penso sia davvero eccitante, " ha detto l'autore principale Julie (Jackson) Mancini, un ingegnere del Lawrence Livermore National Laboratory, che ha lavorato al progetto dal 2014.

"È stato dimostrato che attraverso la struttura, i metamateriali possono creare proprietà meccaniche che a volte non esistono in natura o possono essere altamente progettate, ma una volta costruita la struttura sei bloccato con quelle proprietà, " Ha detto Mancini. "Una prossima evoluzione di questi metamateriali è qualcosa che può adattare le sue proprietà meccaniche in risposta a uno stimolo esterno. quelli esistono, ma rispondono cambiando forma o colore e il tempo necessario per ottenere una risposta può essere dell'ordine di minuti o ore. Con i nostri FRMM, la forma complessiva non cambia e la risposta è molto rapida, che lo distingue da questi altri materiali."

Mancini ha iniziato il lavoro presso l'Università della California Davis sotto la guida del suo master, il professore di materiali e ingegneria Ken Loh, che ora è all'Università della California a San Diego. Loh ha affermato che il concetto è stato in parte ispirato dai sistemi di sospensione basati su automobili e ha iniziato cercando modi per sviluppare un'armatura flessibile in grado di trasformarsi o modificare le sue proprietà meccaniche secondo necessità.

"Uno dei criteri è ottenere una risposta rapida, e i campi magnetici e i materiali RM offrono tale capacità, " ha detto Loh, un professore nel Dipartimento di Ingegneria Strutturale presso la Jacobs School of Engineering dell'UC San Diego.

Loh ha affermato che i ricercatori esamineranno nuovi modi per sviluppare un materiale monofase, invece di avere un liquido incorporato nel solido, e rapporti peso/prestazioni più elevati, aggiungendo che il lavoro futuro "potrebbe portare a nuove tecnologie, come armature flessibili per il guerriero che si irrigidiscono istantaneamente quando viene rilevata una minaccia."

I ricercatori hanno iniettato un fluido magnetoreologico (MR) in strutture reticolari cave costruite sulla piattaforma Large Area Projection Microstereolithography (LAPµSL) di LLNL, che stampa in 3D oggetti con caratteristiche in microscala su ampie aree utilizzando la luce e una resina polimerica fotosensibile. La nuova forma di metamateriale sintonizzabile dinamicamente deve molto del suo successo alla macchina LAPµSL, Mancini ha detto perché le complesse strutture reticolari tubolari dovevano essere realizzate con pareti sottili rispetto alle dimensioni complessive della struttura, e in grado di mantenere il fluido contenuto resistendo alla pressione generata durante il processo di riempimento e la risposta ad un campo magnetico.

Una volta che il fluido magneticamente reattivo è all'interno delle strutture reticolari, l'applicazione di un campo magnetico esterno fa irrigidire il fluido e le strutture stampate in 3D complessive successivamente si irrigidiscono quasi istantaneamente. Il cambiamento è facilmente reversibile e altamente sintonizzabile variando la forza del campo magnetico applicato, ricercatori hanno detto.

"Ciò che è veramente importante è che non è solo una risposta on e off, regolando l'intensità del campo magnetico applicato possiamo ottenere un'ampia gamma di proprietà meccaniche, " Ha detto Mancini. "L'idea di on-the-fly, la sintonizzazione remota apre le porte a molte applicazioni."

Mancini ha affermato che la tecnologia potrebbe essere utile per l'assorbimento degli urti, ad esempio i sedili delle automobili potrebbero avere metamateriali sensibili ai fluidi integrati all'interno insieme a sensori per rilevare un incidente, e i sedili si irrigidirebbero all'impatto, potenzialmente riducendo il movimento del passeggero che può causare il colpo di frusta. Potrebbe essere applicato anche a caschi o bretelle di nuova generazione, alloggiamento per componenti ottici e robotica morbida, tra molte altre applicazioni.

Per prevedere come le strutture reticolari riempite di fluido RM arbitrarie risponderebbero a un campo magnetico applicato, l'ex ricercatore LLNL Mark Messner (ora ingegnere del personale presso l'Argonne National Laboratory) ha sviluppato un modello da test a puntone singolo.

Partendo da un modello sviluppato al LLNL che prevedeva le proprietà meccaniche di materiali strutturati a reticolo statico non sintonizzabili, Messner ha aggiunto una rappresentazione di come il fluido MR influenza un singolo elemento reticolare sotto un campo magnetico e ha incorporato il modello di un singolo puntone in un progetto per celle unitarie e reticoli. Da li, fu in grado di calibrare il modello agli esperimenti che Mancini eseguì su tubi pieni di fluido simili ai puntoni nei reticoli. Il team ha utilizzato il modello per ottimizzare la topologia del reticolo, trovare le strutture che avrebbero comportato grandi cambiamenti nelle proprietà meccaniche al variare del campo magnetico.

"Abbiamo esaminato la rigidità elastica, ma il modello (o modelli simili) può essere utilizzato per ottimizzare diverse strutture reticolari per diversi tipi di obiettivi, " Messner ha detto. "Lo spazio di progettazione di possibili strutture reticolari è enorme, quindi il modello e il processo di ottimizzazione ci hanno aiutato a scegliere strutture probabili con proprietà favorevoli prima della stampa (Mancini), riempito, e testato i campioni reali, che è un processo lungo".

Mancini ha affermato che lei e il suo team continueranno a lavorare sulla stampa di strutture con il fluido reattivo al campo magnetico integrato per eliminare la fase di riempimento manuale, e sull'aumento delle dimensioni complessive delle strutture.