Un professore di fisica ingegneristica presso l'Università del Wisconsin-Madison ha creato nuovi materiali che si comportano in un modo insolito che sfida la teoria standard utilizzata dagli ingegneri per progettare cose come edifici, aeroplani, ponti e dispositivi elettronici.

È un progresso che potrebbe aprire la porta alla progettazione di nuovi materiali per applicazioni che richiedono un'elevata tenacità, ad esempio ali di aeroplano che sono più resistenti alla frattura.

La teoria classica dell'elasticità funziona bene per prevedere il comportamento della maggior parte dei materiali ordinari, compreso l'acciaio, alluminio e cemento, e garantire che le strutture possano resistere alle forze meccaniche senza rompersi o deformarsi eccessivamente. Ma per alcuni materiali, la teoria è limitante.

Roderic Lakes e lo studente laureato Zachariah Rueger hanno utilizzato la stampa 3D per realizzare i loro nuovi materiali reticolari polimerici. Il loro design, il modello in cui sono disposte le strisce polimeriche dei materiali, è una struttura incrociata ripetuta. Quando è attorcigliato o piegato, una barra di questo reticolo polimerico è circa 30 volte più rigida di quanto ci si aspetterebbe in base alla teoria classica dell'elasticità.

I ricercatori del Wisconsin hanno descritto i loro nuovi materiali reticolari nella rivista Lettere di revisione fisica l'8 febbraio 2018.

Esecuzione di misurazioni in laboratorio, Lakes ha stabilito che il comportamento dei materiali era coerente con l'elasticità di Cosserat, una teoria più descrittiva dell'elasticità che prende in considerazione la dimensione della struttura sottostante in un materiale.

"Quando hai un materiale con una sottostruttura al suo interno, come alcune schiume, reticoli e materiali fibrorinforzati, c'è più libertà in esso di quanta ne possa gestire la teoria classica dell'elasticità, " dice Lakes. "Quindi stiamo studiando la libertà dei materiali di comportarsi in modi non previsti dalla teoria standard".

Questa maggiore libertà offre un potenziale percorso per creare nuovi materiali immuni alla concentrazione dello stress; in altre parole, materiali con maggiore tenacità. Tali materiali sarebbero utili per una varietà di applicazioni, incluso rendere le ali degli aeroplani più resistenti alle crepe.

Se si forma una crepa nell'ala di un aereo, lo stress è concentrato intorno alla fessura, rendendo l'ala più debole. "Ci vuole una certa quantità di stress per rompere qualcosa, ma se c'è una crepa in esso, puoi romperlo con meno stress, "dice Laghi.

L'uso della teoria dell'elasticità di Cosserat per informare la progettazione dei materiali produrrà materiali più duri in cui le sollecitazioni sono distribuite in modo diverso nei materiali, secondo Laghi.

Questi stessi effetti sono presenti in materiali come l'osso e alcuni tipi di schiume. Però, quando gli ingegneri fanno schiuma per un cuscino di seduta, Per esempio, non hanno molto controllo sulla sottostruttura della schiuma, le minuscole bolle che si formano e costituiscono le cellule all'interno della schiuma. Di conseguenza, hanno una capacità limitata di personalizzare gli effetti Cosserat.

A differenza della schiuma, i ricercatori UW-Madison possono sintonizzare gli effetti Cosserat nei loro materiali reticolari e renderli molto forti.

"Abbiamo sviluppato un materiale in cui abbiamo un controllo eccezionalmente dettagliato sulla struttura fine del nostro reticolo, e questo ci ha permesso di ottenere effetti molto forti quando si piega e si torce il materiale, "dice Laghi.