Gli scienziati dei materiali dell'ETH di Zurigo stanno lavorando su materiali compositi che imitano la struttura delle conchiglie. Tali strutture complesse sono prodotte utilizzando minuscole particelle magnetiche che guidano gli elementi più rigidi dei compositi in posizione. Questa tecnica consente nuove tecnologie da rivestimenti durevoli a materiali più resistenti e leggeri.

I materiali compositi sono molto diffusi nella nostra società. Sono utilizzati in un'ampia gamma di strutture, dalle ali degli aeroplani e barche in fibra di vetro alle pale delle turbine eoliche e ai restauri dentali. Poiché i compositi combinano diverse classi di materiali come la plastica, metalli, e ceramiche, è possibile progettarli per essere contemporaneamente rigidi e resistenti, leggero e flessibile. Tale combinazione di proprietà non può essere ottenuta utilizzando una sola classe di materiale; le plastiche non sono rigide, i metalli non sono leggeri, e la ceramica non è flessibile.

La progettazione e la fabbricazione di compositi che ottengono queste combinazioni di proprietà richiedono il corretto orientamento e posizionamento di fibre ceramiche o polimeriche resistenti e rigide all'interno di un materiale polimerico più morbido e leggero come una colla epossidica. Senza un corretto orientamento, gli elementi più rigidi sono inefficaci nel loro ruolo di rinforzo del materiale più morbido.

Elevata rigidità e resistenza

La capacità di controllare questo orientamento è sfuggita a lungo ai produttori di compositi. Gli attuali materiali compositi contengono fibre rigide spesso disposte come un pezzo di tessuto, che viene poi infiltrato con un morbido, resina polimerica leggera. Ciò fornisce un'elevata rigidità e resistenza nel piano del tessuto che può essere facilmente osservata tirando le estremità di un singolo strato di tessuto. Le attuali tecniche di produzione impilano numerosi strati sottili per creare strutture più grandi.

Però, questo porta tipicamente a compositi con debole resistenza all'urto e alta suscettibilità alla delaminazione tra strati sovrapposti. interessante, i materiali compositi prodotti da organismi viventi mostrano soluzioni eleganti a questi problemi costruendo compositi biologici utilizzando elementi di rinforzo con architetture 3D uniche, come esemplificato dalla struttura a conchiglia. Strategie di rinforzo 3D simili si trovano anche nei denti, ossa e fusti vegetali.

Controllo preciso degli elementi di rinforzo

Nel numero del 13 gennaio della rivista Scienza , i ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno svelato una tecnica di nuova concezione che consente il controllo preciso di questi elementi di rinforzo più rigidi all'interno di un composito sintetico. La loro tecnica impiega forze magnetiche, basandosi su un fenomeno simile a un magnete a barra che orienta le otturazioni in ferro. La sfida chiave era il fatto che i materiali di interesse per i compositi non sono magnetici e, così, essi stessi non reagiscono alle forze magnetiche.

Il team dell'ETH ha scoperto che potevano consentire una risposta magnetica in questi materiali attaccando una quantità sorprendentemente piccola di nanoparticelle magnetiche (1/1000 del diametro di un capello umano) sulla superficie degli elementi rigidi. Questo metodo funziona solo per elementi rigidi di una dimensione definita nell'intervallo micrometrico, che si sovrappone alle dimensioni di interesse chiave nell'industria dei compositi. L'uso di elementi più rigidi su questa scala fornisce il controllo dell'orientamento utilizzando campi magnetici che sono solo 20 volte quelli della Terra. Per confronto, le strisce delle carte di credito emettono campi magnetici che si avvicinano a 2, 000 volte quello del campo terrestre.

Mettere la tecnica nell'uso industriale

Il team di ricerca ha dimostrato che questa tecnica può essere utilizzata per produrre un'intera famiglia di nuove strutture composite non possibili prima (Figura 2). Queste nuove strutture mostrano proprietà del materiale programmabili in qualsiasi direzione desiderata, una caratteristica che non è stata dimostrata con le tecniche precedenti. Poiché il nuovo metodo si basa su campi magnetici così bassi e su piccoli rivestimenti, l'applicabilità nei processi di produzione esistenti è chiara.

Il team dell'ETH sta attualmente lavorando con società commerciali per mettere questa tecnica in uso industriale. L'industrializzazione di questo approccio offre un percorso più leggero, più economico, and stronger composite materials for the automotive and aerospace industries and for the development of materials to promote renewable energy harvesting such as with lighter, stronger wind turbine blades.

The ETH team plans to continue this work by adapting these techniques to a variety of new systems and new materials.