Ispirato dal divertimento di giocare con i Lego, un team internazionale di ricercatori della Tianjin University of Technology e dell'Università di Harvard ha utilizzato l'idea di assemblare elementi costitutivi per rendere concreta la promessa di materiali di prossima generazione.

Pubblicazione online sulla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze marzo, 20, Nan Yang del Laboratorio per la progettazione e il controllo intelligente dei sistemi meccatronici avanzati e Jesse Silverberg del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering hanno rimosso un collo di bottiglia chiave che rallentava la traduzione del progresso scientifico in applicazioni commerciali.

Silverberg lo ha descritto in questo modo:"I metamateriali stanno guidando una rivoluzione nella scienza dei materiali. L'attuale approccio alla costruzione di oggetti di tutti i giorni risulta essere limitato perché i materiali con cui lavoriamo hanno una gamma relativamente ristretta di proprietà e capacità".

I metamateriali vanno oltre ciò che si trova in natura assemblando elementi semplici in schemi ripetitivi. Su larga scala, questi componenti più piccoli influenzano la costruzione più grande in modi insoliti. Yang ha osservato:"La varietà di applicazioni sta crescendo. Oggi vediamo metamateriali meccanici usati per modellare il flusso di onde vibrazionali come i terremoti per proteggere gli edifici. Domani, chissà cosa accadrà dopo".

I ricercatori, però, erano preoccupati che queste scoperte non si fossero spostate dal laboratorio al mercato abbastanza velocemente. Una sfida che hanno notato è stata il tempo e la difficoltà di progettare per applicazioni del mondo reale.

Alcuni anni fa, l'origami, l'arte di piegare la carta, è stato riconosciuto per la sua capacità di convertire rapidamente fogli piatti in modelli 3D con proprietà metamateriali insolite. "Anche se facile da piegare, il tempo necessario per trovare buoni progetti per problemi pratici è spesso troppo costoso, " disse Silverberg. "Supponiamo di volere un metamateriale meccanico per assorbire l'impatto durante un incidente d'auto. Qual è il miglior design per questo? E anche se trovi un buon modello di piegatura, si adatta anche al telaio dell'auto?"

Sia Yang che Silverberg hanno figli piccoli. Hanno descritto il loro momento "ah-ha" in questo modo:"Una notte stavamo lavorando fino a tardi su Skype e ci siamo resi conto che la soluzione era letteralmente sul pavimento di fronte a noi. E se potessimo costruire metamateriali come i nostri figli costruiscono con i Lego?"

Questa intuizione ha portato i ricercatori a progettare una serie standard di elementi costitutivi. "Abbiamo iniziato a progettare un'unità di base, un po' come il classico mattoncino Lego 2x4, ma invece di farli in diversi colori, abbiamo dato loro diverse proprietà meccaniche. uno rigido, uno morbido, eccetera, " disse Silverberg. Una volta progettato, il team è stato in grado di creare strutture più grandi ed elaborate allo stesso modo in cui i loro figli stavano creando navi e robot multicolori.

Come esempi, i ricercatori hanno mostrato come assemblare due diversi tipi di "materiali di occultamento" meccanici. Hanno anche fornito esempi di come un insieme predeterminato di proprietà può essere ingegnerizzato in strutture 3D arbitrarie, una sfida altamente elusiva fin dall'inizio della ricerca metamateriale.

Yang continuò, "Ora che hai una strategia di base, stiamo elaborando il design per ancora più "mattoni" e metodi per assemblarli rapidamente." Silverberg ha aggiunto, "Guardando avanti, prevediamo strumenti che consentano a chiunque disponga di un computer di progettare facilmente metamateriali complessi."