Da quando un gruppo di ricerca presso la Kiel University (CAU) e la Hamburg University of Technology (TUHH) di Amburgo-Harburg ha sviluppato l'aerografite - uno dei materiali più leggeri al mondo - nell'anno 2012 -, hanno continuato a fare ricerche su di esso. La sua complessa architettura tetrapodale conferisce al materiale 3-D a base di carbonio proprietà davvero uniche, quali elasticità e conducibilità elettrica estremamente elevate. Ora, per la prima volta, come parte di un gruppo di ricerca internazionale, gli scienziati dei materiali della CAU sono stati in grado di piegare i singoli tetrapodi cavi, ciascuna misura solo pochi micrometri. Dopo aver piegato, i tetrapodi mantengono automaticamente la loro forma originale, senza subire alcun danno. Questo rende concepibili applicazioni avanzate, sia nella scienza dei materiali che nel campo della medicina rigenerativa. Il team di ricerca ha pubblicato i risultati in Comunicazioni sulla natura .

Per quanto riguarda i nuovi materiali, gli scienziati sono principalmente interessati a una cosa:quali proprietà hanno, e come si comportano in condizioni diverse? Questo determina anche i nuovi possibili usi dei materiali. "Per prevedere il comportamento meccanico complessivo di un materiale di rete, dobbiamo indagare le singole strutture a blocchi con cui è costruito, " ha spiegato il dottor Yogendra Mishra, scienziato dei materiali nel gruppo di lavoro "Nanomateriali funzionali" presso la CAU. L'aerografite è costituita da tetrapodi, nanostruttura 3-D a base di carbonio costituita da quattro bracci cavi. Quando combinati insieme, formano un poroso, rete estremamente leggera, e ridurre il peso dell'aerografite a soli 0,2 milligrammi per centimetro cubo. ''Grazie a questa struttura unica, il materiale presenta un'elevata resistenza meccanica nonché una superficie molto elevata, da cui originano interessanti caratteristiche fisiche e chimiche, ''dice Daria Smazna, uno studente di dottorato nel progetto.

Il team di ricerca internazionale guidato da Kiel è ora riuscito a dimostrare che l'aerografite è estremamente pieghevole. "Generalmente, materiali sfusi come carbonio o metallo non sono pieghevoli, ma grazie alla sua struttura speciale le nostre reti di carbonio sono altamente flessibili e anche meccanicamente stabili", ha spiegato il professor Rainer Adelung, capo della cattedra di nanomateriali funzionali. Potresti immaginarlo come un foglio di carta. "Un foglio di carta piatto non oppone resistenza, se lo tieni da una parte, si blocca semplicemente. Però, se lo arrotoliamo o lo accartocciamo, raggiunge un certo grado di stabilità, " ha continuato lo scienziato dei materiali. Dipende quindi dalla disposizione geometrica all'interno del materiale. La forma speciale dei tetrapodi ha fatto sospettare ai ricercatori che potessero essere piegati - nonostante la leggerezza dell'aerografite. Questo perché i singoli bracci hanno pareti molto sottili e sono cavi all'interno. "Questo permette loro di essere piegati in tanti punti diversi, anche reversibilmente. Tornano automaticamente alla loro forma originale, senza subire alcun danno, " spiegò Mishra. "Proprio come una fisarmonica, l'oggetto tridimensionale può essere piegato in una forma bidimensionale, e poi si è aperto di nuovo."

I ricercatori di Kiel hanno immaginato come si comporta l'aerografite quando è piegata, almeno secondo i loro sospetti. Per caratterizzare il materiale e dimostrare che la loro idea è effettivamente vera, in pratica dovevano anche piegare gli oggetti di dimensioni micrometriche. Fare così, avevano bisogno di uno speciale microscopio elettronico a scansione, che trovarono a Riga (Estonia). Qui, il team di Kiel stava già lavorando con altri scienziati su un progetto diverso. Con un ago di misurazione su nanoscala, i colleghi sono stati in grado di afferrare e piegare i tetrapodi di aerografite. Gli scienziati dei materiali Dott. Stefano Signetti e Prof. Pugno, co-autore dell'articolo, dell'Università degli Studi di Trento, fornito la comprensione meccanica finale e la generalizzazione, sviluppando sia i modelli analitici che numerici, e quindi anche la prova che le ipotesi dei colleghi di Kiel erano corrette. ''I nostri calcoli di modellazione teorica e numerica forniscono una comprensione generale per la progettazione di materiali aerografiti e sono in ottimo accordo con l'ipotesi dei ricercatori di Kiel e con le osservazioni sperimentali dalla macchina di Riga'' aggiunge Nicola Pugno, Professore di Meccanica dei Solidi e Strutturali.

"Il metodo di calcolo che è stato sviluppato e verificato grazie a questa cooperazione internazionale, può essere applicato a tetrapodi di varie dimensioni. Fornisce una base preziosa per studiare ulteriormente le proprietà di intere reti di tetrapodi e aerografite, " ha elaborato Mishra. A lungo termine, capire come le reti di tetrapodi cavi possono essere piegate, tuttavia, ci piace senza essere danneggiati, potrebbe aiutare a ottimizzare la produzione di solidi altamente porosi come aerogel e schiume, o consentire il loro utilizzo nella rigenerazione dei tessuti (il cosiddetto scaffold in ingegneria medica).