Ispirato alla velocità di reazione di alcune piante, il metamateriale si adatta ad una vasta gamma di applicazioni, dalla robotica a materiali di protezione che possano dissipare velocemente l’energia di un impatto
Alfred Crosby è professore di scienza e ingegneria dei polimeri presso la UMass Amherst e nel suo lavoro è abituato a lasciarsi ispirare dalla natura e da materiali complessi come il tessuto per sviluppare nuovi, semplici design capaci di cambiare il nostro rapporto con il mondo.
Nel suo più recente studio, ci invita a immaginare un elastico: “Lo tiri indietro e quando lo lasci andare, vola attraverso la stanza. Ora immaginate un super elastico, che allungato oltre oltre un certo punto sia capace di attivare dell’energia extra immagazzinata nel materiale stesso. Una volta rilasciato, un simile elastico volerà più lontano che mai,” spiega Crosby.
Proprio alla creazione di un simile materiale sono arrivati il professore ed il suo gruppo di ricerca della University of Massachusetts Amherst: una nuova sostanza solida simile alla gomma dalle qualità sorprendenti, capace di assorbire e rilasciare grandissime quantità di energia. E programmabile. Descritto in una pubblicazione di PNAS, il nuovo materiale potrebbe consentire ai robot più potenza senza la necessità di energia aggiuntiva, o condurre alla creazione di nuovi caschi e materiali protettivi capaci di dissipare più rapidamente che mai l’energia cinetica di un impatto.
Il nuovo metamateriale – una sostanza progettata per avere proprietà che non si trovano nei materiali naturali – combina le qualità di una sostanza elastica simile alla gomma al potenziale di minuscoli magneti incorporati al suo interno. Definito “elastomagnetico”, il nuovo materiale sfrutta una proprietà fisica nota come ‘phase shift’ per amplificare notevolmente la quantità di energia che il materiale può rilasciare o assorbire.
Un ‘phase shift’ si verifica quando un materiale si sposta da uno stato all’altro: pensa all’acqua che si trasforma in vapore o al cemento liquido che si indurisce in un marciapiede. Ogni volta che un materiale cambia fase, l’energia viene rilasciata o assorbita. Un cambiamento di fase che rilascia energia potrebbe essere sfruttato come fonte di energia, ma ottenere abbastanza energia è sempre stata la parte difficile.
I ricercatori hanno preso spunto dall’osservazione di alcune reazioni fulminee che accadono in natura, come la chiusura a scatto di certe piante carnivore o gli scatti rapidi delle mandibole delle formiche Odontomachus. “Abbiamo portato queste qualità al livello successivo”, spiega Xudong Liang, autore principale dello studio e professore presso l’Harbin Institute of Technology di Shenzhen, Cina. “Incorporando minuscoli magneti nel materiale elastico, possiamo controllare le transizioni di fase di questo metamateriale. E poiché lo sfasamento è prevedibile e ripetibile, possiamo progettare il metamateriale perché faccia esattamente quello che vogliamo: assorbire l’energia di un forte impatto o rilasciarne grandi quantità in un movimento esplosivo”.
Amplificare il rilascio o l’assorbimento di energia richiede la progettazione di una struttura sin dal livello molecolare, se non atomico, un’operazione complessa e difficilmente ripetibile. Scegliendo di utilizzare metamateriali, i ricercatori hanno superato queste sfide e non solo creato nuovi materiali, ma anche sviluppato algoritmi di progettazione che consentono la programmazione di reazioni specifiche, quindi prevedibili.
(lo)
