Quando si deforma un materiale morbido come Silly Putty, le sue proprietà cambiano a seconda della velocità con cui lo allunghi e lo strizzi. Se lasci lo stucco in un bicchierino, alla fine si diffonderà come un liquido. Se lo tiri lentamente, si assottiglierà e si piegherà come una caramella viscosa. E se lo strattoni velocemente, il Silly Putty si spezzerà come un fragile, barra solida.

Gli scienziati usano vari strumenti per allungare, stretta, e torcere materiali morbidi per caratterizzare con precisione la loro forza ed elasticità. Ma in genere, tali esperimenti vengono eseguiti in sequenza, che può richiedere molto tempo.

Ora, ispirato alle sequenze sonore utilizzate da pipistrelli e delfini nell'ecolocalizzazione, Gli ingegneri del MIT hanno ideato una tecnica che migliora notevolmente la velocità e l'accuratezza della misurazione delle proprietà dei materiali morbidi. La tecnica può essere utilizzata per testare le proprietà del cemento essiccante, coagulazione del sangue, o qualsiasi altro materiale morbido "mutante" mentre cambiano nel tempo. I ricercatori riportano i loro risultati sulla rivista Revisione fisica X .

"Questa tecnica può aiutare in molti settori, [che non dovranno] cambiare i loro strumenti consolidati per ottenere un'analisi molto migliore e accurata dei loro processi e materiali, "dice Bavand Keshavarz, un postdoc presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT.

"Ad esempio, questo protocollo può essere utilizzato per un'ampia gamma di materiali morbidi, dalla saliva, che è viscoelastico e filante, a materiali rigidi come il cemento, " aggiunge la laureanda Michela Geri. "Tutti possono cambiare rapidamente nel tempo, ed è importante caratterizzare le loro proprietà in modo rapido e accurato."

Geri e Keshavarz sono coautori del documento, che comprende anche Gareth McKinley, la School of Engineering Professore di Didattica dell'Innovazione e professore di Ingegneria Meccanica al MIT; Thibaut Divoux del Laboratorio congiunto CNRS-MIT; Christian Clasen di KU Leuven in Belgio; e Dan Curtis della Swansea University in Galles.

Verso misurazioni più veloci

La nuova tecnica del gruppo migliora ed estende il segnale di deformazione che viene catturato da uno strumento noto come reometro. Tipicamente, questi strumenti sono progettati per allungare e spremere un materiale, avanti e indietro, su ceppi piccoli o grandi, in funzione di un segnale inviato sotto forma di un semplice profilo oscillante, che dice al motore dello strumento quanto velocemente o quanto lontano deformare il materiale. Una frequenza più alta fa sì che il motore nel reometro funzioni più velocemente, tranciando il materiale più velocemente, mentre una frequenza più bassa rallenta questa deformazione.

Altri strumenti che testano i materiali morbidi funzionano con segnali di ingresso simili. Questi possono includere sistemi che pressano e torcono i materiali tra due piastre, o che mescolano materiali in contenitori, a velocità e forze determinate dal profilo di frequenza che gli ingegneri programmano nei motori degli strumenti.

Ad oggi, il metodo più accurato per testare i materiali morbidi è stato quello di eseguire i test in sequenza per un periodo prolungato. Durante ogni prova, uno strumento può, Per esempio, allungare o tagliare un materiale ad una singola bassa frequenza, o oscillazione del motore, e registrare la sua rigidità ed elasticità prima di passare a un'altra frequenza. Sebbene questa tecnica fornisca misurazioni accurate, possono essere necessarie ore per caratterizzare completamente un singolo materiale.

Un cinguettio squillante

Negli ultimi anni, i ricercatori hanno cercato di accelerare il processo di test dei materiali morbidi modificando il segnale di ingresso degli strumenti e comprimendo il profilo di frequenza inviato ai motori.

Gli scienziati si riferiscono a questo più breve, Più veloce, e profilo di frequenza più complesso come un "cinguettio, "dopo la struttura simile delle frequenze che vengono prodotte nei campi radar e sonar, e molto in generale, in alcune vocalizzazioni di uccelli e pipistrelli. Il profilo chirp accelera notevolmente un'esecuzione di test sperimentali, consentendo a uno strumento di misurare in soli 10-20 secondi le proprietà di un materiale su una gamma di frequenze o velocità che tradizionalmente richiederebbero circa 45 minuti.

Ma nell'analisi di queste misurazioni, i ricercatori hanno trovato artefatti nei dati di normali cinguettii, noti come effetti di suoneria, il che significa che le misurazioni non erano sufficientemente accurate:sembravano oscillare o "squillare" attorno ai valori previsti o effettivi di rigidità ed elasticità di un materiale, e questi artefatti sembravano derivare dal profilo di ampiezza del cinguettio, che assomigliava a una rapida accelerazione e decelerazione delle frequenze di oscillazione del motore.

"È come quando un atleta fa uno sprint di 100 metri senza riscaldarsi, " dice Keshavarz.

Geri, Keshavarz, e i loro colleghi hanno cercato di ottimizzare il profilo chirp per eliminare questi artefatti e quindi produrre misurazioni più accurate, pur mantenendo lo stesso breve lasso di tempo di prova. Hanno studiato segnali di cinguettio simili nei campi radar e sonar, originariamente sperimentati al MIT Lincoln Laboratory, con profili originariamente ispirati ai cinguettii prodotti dagli uccelli, pipistrelli, e delfini.

"Pipistrelli e delfini inviano un segnale simile a un cinguettio che incapsula una gamma di frequenze, così possono localizzare velocemente la preda, " Geri dice. "Ascoltano ciò che [frequenze] ritornano a loro e hanno sviluppato modi per correlarlo con la distanza dall'oggetto. E devono farlo molto velocemente e con precisione, altrimenti la preda scapperà."

Il team ha analizzato i segnali chirp e ottimizzato questi profili in simulazioni al computer, quindi hanno applicato alcuni profili chirp al loro reometro in laboratorio. Hanno scoperto che il segnale che riduceva maggiormente l'effetto squillo era un profilo di frequenza che era ancora breve quanto il segnale cinguettio convenzionale, lungo circa 14 secondi, ma che aumentava gradualmente, con una transizione più fluida tra le frequenze variabili, rispetto ai profili chirp originali che altri ricercatori hanno utilizzato.

Chiamano questo nuovo segnale di test "Chirp finestrato in modo ottimale, " o OWCh, per la forma risultante del profilo di frequenza, che assomiglia a una finestra dolcemente arrotondata piuttosto che a un tagliente, rampa di salita e discesa rettangolare. In definitiva, la nuova tecnica comanda a un motore di allungare e spremere un materiale in modo più graduale, modo liscio.

Il team ha testato il loro nuovo profilo chirp in laboratorio su vari liquidi e gel viscoelastici, partendo da una soluzione polimerica standard da laboratorio che hanno caratterizzato utilizzando il tradizionale, metodo più lento, il profilo cinguettio convenzionale, e il loro nuovo profilo OWCh. Hanno scoperto che la loro tecnica produceva misurazioni che corrispondevano quasi esattamente a quelle del metodo accurato ma più lento. Le loro misurazioni erano anche 100 volte più accurate di quelle prodotte dal metodo chirp convenzionale.

I ricercatori affermano che la loro tecnica può essere applicata a qualsiasi strumento o apparato esistente progettato per testare materiali morbidi, e accelererà notevolmente il processo di test sperimentale. Hanno anche fornito un pacchetto software open source che ricercatori e ingegneri possono utilizzare per aiutarli ad analizzare i loro dati, per caratterizzare rapidamente qualsiasi morbido, materiale in evoluzione, dalla coagulazione del sangue e dall'essiccazione dei cosmetici, per solidificare il cemento.

"Molti materiali nella natura e nell'industria, nei prodotti di consumo e nei nostri corpi, cambiare in tempi abbastanza rapidi, " dice Keshavarz. "Ora possiamo monitorare la risposta di questi materiali mentre cambiano, su un'ampia gamma di frequenze, e in poco tempo».