Durante la sua ricerca di dottorato presso l'Università di Harvard, Il leader del gruppo AMOLF Bas Overvelde ha sviluppato un metodo intelligente per progettare e studiare nuovi metamateriali. Per tali materiali la microstruttura determina la funzione, piuttosto che la composizione molecolare. Il metamateriale ideale cambia forma autonomamente per raggiungere la funzionalità desiderata. Overvelde e i suoi colleghi americani hanno sviluppato un kit di strumenti per progettare tali metamateriali che possono assumere forme diverse in un modo che ricorda gli origami. Hanno pubblicato la loro ricerca il 19 gennaio 2017 in Natura .

Nel caso di molti metamateriali, la microstruttura unica è ciò che li rende ideali per un compito specifico, ad esempio deviare o condurre luce o suono, o smorzare le vibrazioni. "Il nostro ideale era progettare metamateriali che potessero assumere diverse strutture tridimensionali e quindi avere funzionalità adattabili, "dice Bas Overvelde, che ha conseguito il dottorato nel 2016 sotto la supervisione della professoressa Katia Bertoldi presso la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences.

tipo origami

Overvelde e Bertoldi hanno collaborato con i designer per sviluppare una strategia per affrontare sistematicamente la progettazione di metamateriali riconfigurabili. La forma di base del disegno è un poliedro regolare, in cui sulle nervature sono sempre posizionate superfici quadrate o ad angolo retto in modo da creare una struttura tridimensionale che ricorda una forma di origami piegato. Overvelde:"La struttura può piegarsi ai bordi tra due superfici. Il rapporto tra la rigidità delle superfici e le linee di piegatura determina il comportamento dell'eventuale metamateriale e quindi la semplicità con cui il materiale può cambiare forma".

rigidità

I ricercatori hanno sviluppato un modello in cui hanno utilizzato semplici forme matematiche per progettare una molteplicità di strutture diverse e identificare le loro possibili configurazioni. Per alcuni metamateriali ottenuti utilizzando la loro strategia di progettazione, i ricercatori hanno costruito strutture 3D con superfici di cartone e linee di piegatura di nastro biadesivo. Sebbene queste strutture modello avessero semplicemente lo scopo di illustrare il concetto, hanno tuttavia mostrato chiaramente i modi impressionanti in cui questi materiali possono cambiare forma.

"La forza del nostro modello è che è completamente scalabile, " dice Overvelde. "Non importa se il materiale finale è alto metri o sulla scala dei nanometri. Fintanto che il rapporto tra la rigidezza delle superfici e le cerniere rimane costante, la forma - e quindi la funzionalità - cambia allo stesso modo."

Scalabilità significa anche che questi metamateriali hanno molte possibili applicazioni:dai materiali fotonici programmabili su scala nanometrica alle costruzioni architettoniche alte metri. Overvelde:"Gli specialisti possono utilizzare il nostro toolkit per progettare metamateriali per la loro specifica disciplina".

Sensori

Dopo la sua ricerca di dottorato, Overvelde ha avviato il gruppo Soft Robotic Matter presso AMOLF, dove sta studiando ulteriormente i cambiamenti di forma nei metamateriali. "Utilizzando elementi attivi e sensori le forze che fanno cambiare forma a un metamateriale non devono essere applicate esternamente ma si realizzano internamente, " dice. "Combinando la conoscenza della robotica e dei metamateriali possiamo progettare materiali che rispondono in modo attivo e non lineare all'ambiente".