Ingegneri e scienziati dell'Università del Texas ad Austin e dell'istituto AMOLF nei Paesi Bassi hanno inventato i primi metamateriali meccanici che trasferiscono facilmente il movimento senza sforzo in una direzione mentre lo bloccano nell'altra, come descritto in un articolo pubblicato il 13 febbraio in Natura . Il materiale può essere pensato come uno scudo meccanico unidirezionale che impedisce all'energia di entrare ma la trasmette facilmente uscendo dall'altra parte.

I ricercatori hanno sviluppato i primi materiali meccanici non reciproci utilizzando metamateriali, che sono materiali sintetici con proprietà introvabili in natura.

Rompere la simmetria del movimento può consentire un maggiore controllo sui sistemi meccanici e una migliore efficienza. Questi metamateriali non reciproci possono essere potenzialmente utilizzati per realizzare nuovi tipi di dispositivi meccanici:ad esempio, attuatori (componenti di una macchina responsabili del movimento o del controllo di un meccanismo) e altri dispositivi che potrebbero migliorare l'assorbimento di energia, conversione e raccolta, robotica morbida e protesi.

La svolta dei ricercatori risiede nella capacità di superare la reciprocità, un principio fondamentale che governa molti sistemi fisici, che assicura che otteniamo la stessa risposta quando spingiamo una struttura arbitraria da direzioni opposte. Questo principio regola il modo in cui i segnali di varie forme viaggiano nello spazio e spiega perché, se possiamo inviare una radio o un segnale acustico, possiamo anche riceverlo. Nella meccanica, la reciprocità implica che il moto attraverso un oggetto sia trasmesso simmetricamente:se spingendo sul lato A spostiamo il lato B di una certa quantità, possiamo aspettarci lo stesso movimento sul lato A quando si spinge B.

"I metamateriali meccanici che abbiamo creato forniscono nuovi elementi nella tavolozza che gli scienziati dei materiali possono utilizzare per progettare strutture meccaniche, " ha detto Andrea Alù, un professore della Cockrell School of Engineering e coautore del documento. "Questo può essere di estremo interesse per le applicazioni in cui è desiderabile rompere la simmetria naturale con cui lo spostamento delle molecole viaggia nella microstruttura di un materiale".

Negli ultimi due anni, alluminio, insieme allo scienziato ricercatore della Cockrell School Dimitrios Sounas e ad altri membri del loro team di ricerca, hanno fatto scoperte entusiasmanti nel campo dei dispositivi non reciproci per l'elettromagnetismo e l'acustica, compresa la realizzazione di dispositivi non reciproci per il suono, i primi nel loro genere, onde radio e luce. Durante la visita all'istituto AMOLF nei Paesi Bassi, hanno avviato una proficua collaborazione con Corentin Coulais, un ricercatore AMOLF, che recentemente ha sviluppato metamateriali meccanici. La loro stretta interazione ha portato a questa svolta.

I ricercatori hanno prima creato un prodotto in gomma, metamateriale in scala centimetrica con un design a scheletro a lisca di pesce appositamente su misura. Hanno adattato il suo design per soddisfare le condizioni principali per rompere la reciprocità, vale a dire asimmetria e una risposta che non è linearmente proporzionale alla forza esercitata.

"Questa struttura ci ha fornito l'ispirazione per la progettazione di un secondo metamateriale, con proprietà non reciproche insolitamente forti, "Coulais ha detto. "Sostituendo i semplici elementi geometrici del metamateriale a lisca di pesce con un'architettura più intricata fatta di quadrati e diamanti collegati, abbiamo scoperto che possiamo rompere molto fortemente le condizioni per la reciprocità, e possiamo ottenere una risposta non reciproca molto ampia".

La struttura del materiale è un reticolo di quadrati e rombi completamente omogeneo in tutto il campione, come un materiale ordinario. Però, ogni unità del reticolo è leggermente inclinata in un certo modo, e questa sottile differenza controlla drammaticamente il modo in cui il metamateriale risponde agli stimoli esterni.

"Il metamateriale nel suo insieme reagisce in modo asimmetrico, con un lato molto rigido e un lato molto morbido, "Sounas ha detto. "La relazione tra l'asimmetria dell'unità e la posizione del lato morbido può essere prevista da un quadro matematico molto generico chiamato topologia. Qui, quando le unità architettoniche si inclinano a sinistra, il lato destro del metamateriale sarà molto morbido, e viceversa."

Quando i ricercatori applicano una forza sul lato morbido del metamateriale, induce facilmente rotazioni dei quadri e dei rombi all'interno della struttura, ma solo nelle immediate vicinanze del punto di pressione, e l'effetto sull'altro lato è piccolo. Al contrario, quando applicano la stessa forza sul lato rigido, il moto si propaga e si amplifica in tutto il materiale, con un grande effetto dall'altra parte. Di conseguenza, spingendo da sinistra o da destra si ottengono risposte molto diverse, producendo una grande non reciprocità anche per piccole forze applicate.

Il team non vede l'ora di sfruttare questi metamateriali meccanici topologici per varie applicazioni, ottimizzandoli, e ricavarne dispositivi per applicazioni nella robotica morbida, protesi e raccolta di energia.