In un futuro non troppo lontano, potrebbe essere possibile stampare in 3D praticamente qualsiasi cosa. Considera le stampanti standard, che "sintetizzano" migliaia di colori utilizzando solo tre cartucce a colori. Per analogia, le future stampanti 3D potrebbero essere in grado di sintetizzare migliaia di diverse proprietà dei materiali con una manciata di cartucce di materiale.
Questo concetto ha ispirato un gruppo di ricercatori dell'Istituto di tecnologia di Karlsruhe (KIT) in Germania e del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica a esplorare tale sviluppo di una proprietà meccanica chiamata compressibilità statica effettiva. Come ora riportano in Lettere di fisica applicata , da AIP Publishing, utilizzando una singola cartuccia è possibile stampare un metamateriale che si espande di dimensioni sotto pressione idrostatica, anche se è costituito da materiale che normalmente si restringe sotto la pressione idrostatica. In linea di principio, non c'è limite al valore negativo che l'effettiva comprimibilità di questo materiale può assumere.
"[O] il nostro metamateriale tridimensionale poroelastico, un materiale composito artificiale che presenta proprietà non riscontrabili nei materiali naturali, si espande efficacemente all'aumentare della pressione idrostatica di un gas o liquido circostante, " disse Jingyuan Qu, uno studente di dottorato e ricercatore presso l'Istituto di Fisica Applicata e l'Istituto di Nanotecnologia del KIT. "Per la maggior parte dei materiali, il comportamento è l'esatto contrario. A prima vista, una compressibilità negativa sembra addirittura violare le leggi fondamentali della fisica."
Al centro del progetto del gruppo per la struttura metamateriale c'è un vuoto, Struttura a croce 3-D con membrane circolari a ciascuna estremità della croce.
"Simile a un tamburo, queste membrane si deformeranno verso l'interno se la pressione esterna è maggiore della pressione nel volume racchiuso all'interno della croce, " Qu ha detto. "Collegando correttamente queste membrane tramite barre, e utilizzando otto di tali croci tridimensionali all'interno di una cella unitaria, è possibile ottenere un aumento del volume effettivo isotropo all'aumentare della pressione, una compressibilità effettiva negativa."
Questo è un lavoro particolarmente intrigante, Qu ha sottolineato, perché una compressibilità negativa in condizioni statiche e non vincolate è generalmente vietata dalle leggi della fisica.
"È instabile e viola il risparmio energetico, " disse Qu. "Il trucco della nostra struttura è che il volume che puoi vedere aumenta all'aumentare della pressione circostante, mentre il volume racchiuso dal materiale stampato in 3D, una quantità che non percepisci direttamente, diminuisce e rende la struttura stabile e fisica".
Una delle proprietà speciali della struttura metamateriale è una comprimibilità effettiva zero negativa, secondo Qu. "Ciò significa che il volume effettivo del metamateriale semplicemente non cambierà, " Egli ha detto.
Con il successo della modellazione estensiva della struttura, il gruppo ha già iniziato a perseguire l'impegnativo compito di dimostrare la sua fabbricazione.
"Abbiamo calcolato il comportamento del materiale utilizzando [software di simulazione ingegneristica], quindi il materiale deve ancora essere fabbricato e misurato sperimentalmente, " Qu ha detto. "La fabbricazione è un caso impegnativo per la nanostampa laser 3D perché i necessari volumi interni nascosti non sono stati precedentemente raggiunti".
Realizzare un tale metamateriale probabilmente non sarebbe possibile con le tecniche di lavorazione convenzionali che tendono a rimuovere il materiale per costruire una struttura. Con una tecnica additiva come la stampa 3D, però, fabbricare strutture nascoste e volumi chiusi diventa possibile rendendo questo un modo ideale per creare metamateriali a compressibilità negativa.
