Lawrence Livermore Engineer Xiaoyu "Rayne" Zheng - autore principale dell'articolo di Science - studia una versione su macroscala della cella elementare, che costituisce l'ultraleggero, materiale ultrarigido. Credito:Julie Russell/LLNL.
Qual è la differenza tra la Torre Eiffel e il Monumento a Washington? Entrambe le strutture si elevano ad altezze impressionanti, e ciascuno era l'edificio più alto del mondo una volta completato. Ma il Washington Monument è una massiccia struttura in pietra, mentre la Torre Eiffel raggiunge una resistenza simile utilizzando un reticolo di travi e montanti in acciaio che è per lo più all'aperto, trae la sua forza dalla disposizione geometrica di quegli elementi.
Ora gli ingegneri del MIT e del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno escogitato un modo per tradurre quell'arioso, eppure straordinariamente forte, struttura fino alla microscala, progettando un sistema che potrebbe essere fabbricato da una varietà di materiali, come metalli o polimeri, e questo potrebbe stabilire nuovi record di rigidità per un dato peso.
Il nuovo design è descritto nella rivista Scienza di Nicholas Fang del MIT; ex postdoc Howon Lee, ora assistente professore alla Rutgers University; ricercatore in visita Qi "Kevin" Ge; Christopher Spadaccini e Xiaoyu "Rayne" Zheng dei LLNL; e altri otto.
Il design si basa sull'utilizzo di microlattici con caratteristiche su scala nanometrica, combinando grande rigidità e resistenza con densità ultrabassa, dicono gli autori. L'effettiva produzione di tali materiali è resa possibile da un processo di stampa 3D ad alta precisione chiamato microstereolitografia a proiezione, come risultato della collaborazione di ricerca congiunta tra i gruppi Fang e Spadaccini dal 2008.
Normalmente, Fang spiega, rigidità e resistenza diminuiscono con la densità di qualsiasi materiale; ecco perché quando la densità ossea diminuisce, le fratture diventano più probabili. Ma usando le giuste strutture matematicamente determinate per distribuire e dirigere i carichi, il modo in cui la disposizione verticale, orizzontale, e le travi diagonali fanno in una struttura come la Torre Eiffel:la struttura più leggera può mantenere la sua forza.
Una piacevole sorpresa
La base geometrica di tali microstrutture è stata determinata più di un decennio fa, Zanna dice, ma ci sono voluti anni per trasferire quella comprensione matematica "in qualcosa che possiamo stampare, utilizzando una proiezione digitale, per convertire questo solido modello su carta in qualcosa che possiamo tenere in mano." Il risultato è stato "una piacevole sorpresa per noi, " Aggiunge, prestazioni anche meglio del previsto.
"Abbiamo scoperto che per un materiale leggero e scarso come l'aerogel [una specie di schiuma di vetro], vediamo una rigidità meccanica paragonabile a quella della gomma piena, e 400 volte più forte di una controparte di densità simile. Tali campioni possono facilmente sopportare un carico superiore a 160, 000 volte il loro peso, "dice Zanna, il professore associato britannico e Alex d'Arbeloff per lo sviluppo della carriera in Engineering Design. Finora, i ricercatori del MIT e LLNL hanno testato il processo utilizzando tre materiali ingegneristici:metallo, ceramica, e polimero, e tutti hanno mostrato le stesse proprietà di essere rigidi e leggeri.
"Questo materiale è tra i più leggeri al mondo, "Dice Spadaccini di LLNL. "Tuttavia, grazie al suo layout microarchitettonico, si comporta con una rigidità di quattro ordini di grandezza superiore rispetto ai materiali non strutturati, come aerogel, ad una densità comparabile."
Questa immagine al microscopio mostra una singola unità della struttura sviluppata dal team, chiamata cella unitaria del traliccio a ottetto dominato da stiramento, realizzato da un polimero mediante microstereolitografia 3-D. Credito:per gentile concessione dei ricercatori
materiale leggero, carichi pesanti
Questo approccio potrebbe essere utile ovunque sia necessaria una combinazione di elevata rigidità (per il carico), molta forza, e leggero, come nelle strutture da dispiegare nello spazio, dove ogni pezzo di peso aggiunge significativamente al costo di lancio. Ma Fang dice che potrebbero esserci anche applicazioni su scala più piccola, come nelle batterie per dispositivi portatili, dove anche il peso ridotto è altamente desiderabile.
Un'altra proprietà di questi materiali è che conducono onde sonore ed elastiche in modo molto uniforme, nel senso che potrebbero portare a nuovi metamateriali acustici, Zanna dice, che potrebbe aiutare a controllare come le onde si piegano su una superficie curva.
Altri hanno suggerito principi strutturali simili nel corso degli anni, come una proposta dell'anno scorso dei ricercatori del Center for Bits and Atoms (CBA) del MIT per materiali che potrebbero essere ritagliati come pannelli piatti e assemblati in minuscole celle unitarie per realizzare strutture più grandi. Ma quel concetto richiederebbe l'assemblaggio da parte di sistemi robotici che devono ancora essere sviluppati, dice Zanna, che ha discusso questo lavoro con i ricercatori CBA. Questa tecnica, lui dice, utilizza la tecnologia di stampa 3D che può essere implementata ora.
