Quando facciamo una passeggiata sulla spiaggia, camminiamo sulla sabbia senza problemi. La sabbia appare solida ed è difficile da comprimere. Quando mettiamo gli stessi granelli di sabbia in una clessidra, si comportano in modo molto diverso:la sabbia scorre come un liquido.
I materiali granulari come la sabbia hanno molte proprietà interessanti. Nei materiali granulari prodotti in laboratorio, gli scienziati sono stati finora in grado di mettere a punto le proprietà di flusso "liquido", ma le proprietà di comprimibilità "solide" sono rimaste piuttosto robuste.
I ricercatori dell'Università di Amsterdam e di Santiago del Cile sono ora riusciti a progettare nuovi materiali granulari che possono anche essere facilmente compressi, un risultato che potrebbe avere un grande potenziale in applicazioni come lo smorzamento degli urti.
Se ne trovano lungo tutte le coste del Giappone:tetrapodi, enormi blocchi di cemento a quattro zampe che impediscono l'erosione delle strutture costiere. Insieme, questi tetrapodi formano un metamateriale granulare:un materiale granulare come la sabbia, ma progettato e realizzato dall'uomo. I tetrapodi hanno la loro forma per una buona ragione. Le gambe estese rendono molto difficile lo scorrimento di una pila di questi blocchi. Contrariamente ai normali massi, rimangono al loro posto e di conseguenza fanno quello per cui erano destinati:impediscono il cambiamento della costa.
L'esempio dei tetrapodi dimostra che è relativamente facile realizzare un sistema granulare quasi incomprimibile e che scorre molto peggio della sabbia. D'altro canto, si è rivelato molto difficile creare un materiale che fosse facile da comprimere e scorresse meglio della sabbia.
Grazie al lavoro dei ricercatori di Amsterdam e Santiago, pubblicato negli Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze questa settimana la situazione è cambiata, aprendo opportunità molto interessanti.
Daan Haver, primo autore della pubblicazione, spiega:"Nel campo dei metamateriali, costruiamo la geometria di un materiale in modo tale che il materiale abbia la risposta desiderata. Ad esempio, normalmente ci aspettiamo che una fascia elastica diventi più sottile quando lo allunghiamo.
"In lavori precedenti, i ricercatori hanno mostrato modi per realizzare materiali che diventano più sottili non quando allungati ma quando compressi, basandosi esclusivamente sulla geometria del materiale. Questo esempio mostra che è possibile regolare le proprietà del materiale. Ci chiedevamo se potremmo usare questa idea per mettere a punto anche i materiali granulari."
In laboratorio, i ricercatori hanno realizzato grani che si restringono radialmente quando c’è una pressione esterna. Ciò significa che quando un impaccamento di questi granuli viene compresso, la quantità di spazio libero tra i granuli rimane più o meno la stessa e, di conseguenza, il comportamento di scorrimento dei granuli rimane simile a quello di un liquido.
Haver afferma:"Le forze all'interno del mezzo rimangono basse. Pertanto, l'impaccamento non solo è molto comprimibile ma può anche scorrere meglio. Mettiamo i grani in un imbuto. Normalmente, i grani formeranno un arco che ostruisce. Tuttavia, quando i grani si restringono rispetto alla dimensione dell'apertura, i grani eventualmente defluiranno.
"Si è sempre pensato che i materiali granulari sarebbero stati difficili da comprimere e che le modifiche ai grani avrebbero deteriorato le proprietà di scorrimento. Con i nostri nuovi grani, abbiamo aperto una strada in cui possiamo creare baderne totalmente diverse che siano facili da comprimere e che continuino a scorrere facilmente ."
I nuovi risultati potrebbero avere un grande potenziale nello smorzamento degli shock. I ricercatori hanno dimostrato che un disco metallico, quando viene lasciato cadere in un involucro di nuovi grani, rallenta per un lungo periodo di tempo e si riprende a malapena. L'energia del movimento del disco viene così trasferita in modo più consistente ed omogeneo all'imballaggio.
Haver dice:"Immaginate, invece di un disco di metallo, qualcuno che cade in una gara di pattinaggio di velocità. L'impatto sul pattinatore quando colpisce il muro sarebbe piccolo se i nuovi grani venissero utilizzati all'interno del cuscino. Come grande vantaggio, la persona non essere riportato in pista, rendendo la situazione più sicura per tutti i soggetti coinvolti."
Ulteriori informazioni: Daan Haver et al, Elasticità e reologia dei metamateriali granulari auxetici, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2317915121
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito dall'Università di Amsterdam
