I metamateriali hanno proprietà che dipendono dalla loro forma e architettura. Ricercatori presso AMOLF, L'Università di Leiden e l'Università di Tel Aviv hanno trovato un nuovo modo di progettare questi metamateriali e le loro proprietà incorporando deliberatamente piccoli errori. Hanno pubblicato i loro risultati in Fisica della natura .

Qual è la differenza tra un foglio di carta e una palla di carta spiegazzata? Entrambi sono realizzati con lo stesso materiale, ma un foglio di carta è piatto e floscio, mentre una palla accartocciata è rigida e sferica. Quindi accartocciando un foglio di carta, cambia le sue proprietà. "Chiamiamo la carta un metamateriale meccanico:cambiando la sua forma, il materiale acquisisce proprietà diverse, " dice Anne Meeussen. Ma come, Esattamente, si cambia forma per ottenere proprietà particolari?

Introdurre errori

L'ultima idea nasce da una collaborazione tra AMOLF, Università di Leida e Università di Tel Aviv. Anne Meeussen, Erdal Oğuz, Yair Shokef e Martin van Hecke hanno studiato l'incorporazione deliberata di un piccolo errore in un materiale, un'imperfezione topologica, per osservarne gli effetti. "Abbiamo costruito una struttura che mostra un comportamento peculiare quando viene premuto su nessuno, ma due punti. Facendo ciò, puoi dirigere forze e deformazioni in posizioni diverse. Tale materiale può essere utilizzato per applicazioni in cui le forze interne e le deformazioni devono essere coordinate. Questi vanno dalle suole delle scarpe e le protesi ai robot morbidi".

Piccoli errori in un materiale influenzano le sue proprietà. Però, l'inserimento controllato di un piccolo errore in un metamateriale non è così semplice. Il team ha ideato un materiale piatto composto da pezzi di puzzle triangolari i cui lati possono diventare concavi o convessi. Utilizzando una stampante 3D, i ricercatori hanno realizzato una versione reale del materiale teorico:un tappeto di piccole aste collegate tra loro da cerniere flessibili. Questo ha permesso loro di sentire cosa succede quando la struttura viene schiacciata. In un materiale perfetto, i pezzi del puzzle si incastrano esattamente tra loro in modo che i lati concavi si trovino solo accanto ai lati convessi. Quando i due lati vengono premuti, il tappetino si deforma facilmente e si sente morbido.

Effetti particolari

Ma cosa succede se ruoti una fila di pezzi del puzzle in modo tale che non si adattino più? "La chiamiamo imperfezione topologica, " spiega Meeussen. "Non puoi semplicemente risolvere quell'imperfezione ruotando indietro un singolo pezzo del puzzle." Nel metamateriale progettato da Meeussen, una tale imperfezione topologica ha conseguenze insolite. Schiacciando il materiale imperfetto da due lati si ottiene una metà morbida che si deforma e una metà dura che rimane rigida. La compressione in punti leggermente diversi fa sì che le metà si scambino:il morbido diventa duro e il duro diventa morbido.

Meeussen dice, "Un tale effetto asimmetrico di un'imperfezione topologica non è mai stato dimostrato in precedenza. Abbiamo scoperto come incorporare queste imperfezioni in modo controllato, e abbiamo formulato regole generali per farlo. Perciò, tutti possono lavorare con questo concetto. È un nuovo modo di guardare ai metamateriali meccanici, perché applichiamo concetti dalla materia condensata e dalla matematica. È emozionante vedere che c'è un interesse per i nostri risultati in tutte queste discipline".