Scienza dei materiali
I Materiali Auxetici Hanno Numerosi Casi d’Uso. Gli Algoritmi Avanzati Ora li Rendono più Facili da Creare
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I materiali auxetici si restringono e si espandono nella direzione trasversale quando sono soggetti a compressione assiale e tensione, rispettivamente. Rispondono in modo controintuitivo rispetto ai comuni materiali elastici e, pertanto, mostrano un coefficiente di Poisson negativo. Questo coefficiente misura la deformazione in una direzione perpendicolare alla forza applicata. A differenza dei normali materiali elastici, i materiali auxetici, sotto compressione, diventano più sottili nella direzione perpendicolare alla forza applicata.
Questi materiali sono diventati popolari negli ultimi due decenni per le loro proprietà utili, come buona tenacità alla frattura, alta resistenza all’indentazione/impatto, modulo di taglio, buona capacità di assorbimento dell’energia, deformazione sinclastica e alto strain trasversale. Possiedono anche elevate proprietà di resistenza ai danni e una superiore isotropia della superficie.
Tutte queste proprietà hanno arricchito i materiali auxetici, garantendo che questi materiali abbiano un’ampia usabilità. Nei segmenti seguenti, esamineremo alcuni di questi casi d’uso nei campi della scienza medica e dell’assistenza sanitaria, dell’ingegneria dei veicoli, dell’ingegneria di protezione, dell’abbigliamento, ecc.
Materiali Auxetici nell’Assistenza Sanitaria e nelle Scienze Mediche
Il polietilene auxetico ad alta densità viene utilizzato per sviluppare dischi intervertebrali artificiali per la chirurgia spinale. Questi dischi possono piegarsi e torcersi e potenzialmente fornire prestazioni biomeccaniche migliorate rispetto alle tradizionali soluzioni di sostituzione del disco. Le loro proprietà auxetiche impediscono rigonfiamenti che potrebbero danneggiare le terminazioni nervose circostanti, consentendo al disco di imitare perfettamente il comportamento di un disco intervertebrale lombare naturale.
È stato proposto anche una vite peduncolare auxetica per migliorare l’interazione biomeccanica tra l’osso circostante e la vite, principalmente per la colonna vertebrale.
La ricerca ha inoltre aiutato gli scienziati a sviluppare uno stent coronarico a geometria auxetica basato su acciaio inossidabile medico 316L. Questo stent può espandersi sia in direzione radiale che longitudinale e può essere ottimizzato per un diametro specifico e una lunghezza del vaso al fine di creare un certo volume di lume, minimizzando l’impatto negativo dello stent sulla parete vascolare.
I materiali auxetici si sono dimostrati utili anche in altre applicazioni mediche, come steli di impianti per l’anca, fissazioni per ossa lunghe, patch cardiaci, tamponi nasofaringei, solette ortopediche e altro ancora. Sono inoltre preziosi nella ingegneria dei tessuti e nella fabbricazione di strutture e membrane per dispositivi medici in vitro.
Materiali Auxetici nell’Ingegneria dei Veicoli
Ricerche recenti hanno dimostrato che i materiali e le strutture auxetiche possono fornire un metodo di progettazione superiore che migliora le caratteristiche di assorbimento dell’energia dei tradizionali paraurti a tubo a parete sottile e delle scatole assorbenti di energia.
Queste strutture avrebbero una maggiore rigidità, un vantaggio di assorbimento dell’energia in caso di collisione a velocità media e un tempo di buffer più lungo per l’assorbimento dell’energia dell’impatto e il processo di accelerazione-decelerazione degli occupanti. Ottengono inoltre punteggi elevati in termini di capacità di assorbimento dell’energia, efficienza di assorbimento dell’energia e altri indici di prestazione.
Uno dei ricercatori in questo ambito ha suggerito specificamente un paraurti composto da una struttura a trave sandwich auxetica e un blocco assorbente di energia ottimizzato da un algoritmo multi-obiettivo, che ha migliorato la resistenza agli urti frontali del veicolo.
Materiali Auxetici nell’Ingegneria di Protezione
L’uso di strutture auxetiche nell’ingegneria di protezione è nato dalla loro alta capacità di assorbimento dell’energia, dalla migliore resistenza all’indentazione compressiva e dalle proprietà di resistenza al taglio migliorate.
La ricerca ha aiutato a trovare pannelli sandwich a nido d’ape auxetici che potrebbero proteggere le strutture in calcestruzzo armato da impatti severi e carichi d’onda di prossimità.
Inoltre, i pannelli sandwich cilindrici con effetto auxetico avevano proprietà di resistenza all’esplosione più forti e potevano essere utilizzati per progettare in modo efficiente involucri robusti per aerei, veicoli spaziali, scafi di sottomarini, serbatoi di carburante, rifugi di miniere di carbone e altre strutture curve.
Materiali Auxetici nell’Ingegneria dell’Abbigliamento
La proprietà di espansione trasversale dei materiali auxetici sotto carico aiuta a formare curvature doppie durante la flessione. Questa proprietà consente all’abbigliamento realizzato con questi materiali di adattarsi ai contorni mutevoli del corpo umano durante il movimento. Le ricerche mostrano che i capi di abbigliamento maternità in tessuto auxetico presentano una minore concentrazione di stress rispetto alle controparti tradizionali. È anche comodo da indossare.
Questa ampia gamma di possibilità di applicazione ha determinato un aumento della domanda di materiali auxetici. Per soddisfare questa crescente domanda, i ricercatori hanno sviluppato una ricetta in tre passaggi per progettare materiali auxetici su richiesta.
Una Procedura in Tre Passi per Creare Materiali Auxetici su Richiesta
I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e dell’Università di Chicago hanno compiuto sforzi concertati per accelerare l’introduzione sul mercato di prodotti auxetici.
Più precisamente, questi ricercatori hanno sviluppato uno strumento algoritmico che aiuta nella progettazione tridimensionale precisa degli auxetici. Secondo il coautore dello studio, Edwin Chan, ingegnere di ricerca sui materiali presso NIST:
“Possiamo effettivamente ottimizzare il materiale per avere le proprietà meccaniche e il comportamento specifici che desideriamo.”
I ricercatori hanno presentato al mondo un quadro unificato per descrivere gli auxetici perfetti bidimensionali. Questa presentazione è il risultato di una maggiore consapevolezza che comprendere e controllare il limite auxetico perfetto potrebbe consentirci di progettare razionalmente auxetici realistici con una struttura geometrica su misura per la quale il coefficiente di Poisson rimane negativo.
Mentre spiegavano la maggiore importanza del loro studio, i ricercatori hanno affermato quanto segue:
“La nostra teoria non solo unifica una vasta classe di auxetici esistenti, comprendendo i precedenti sistemi di unità rigide auxetiche, ma consente anche di crearne una grande varietà, con geometrie nuove e diverse, inclusi i materiali auxetici isotropi, finora piuttosto sfuggenti.”
Poiché i ricercatori erano interessati a comprendere il comportamento degli auxetici perfetti, hanno utilizzato il modello bidimensionale minimo per unità rotanti. Le unità comprendevano una serie di poligoni collegati da molle di lunghezza naturale zero. Ogni unità rigida aveva tre gradi di libertà: due traslazionali e uno rotazionale. Questo modello ha aiutato a determinare l’emergere della modalità floppy auxetica e ha introdotto elasticità nei materiali in modo che potessero essere studiati anche scenari non ideali.
Il risultato dell’indagine scientifica è stato presentato sotto forma di ricetta che aiuterebbe a costruire auxetici perfetti. Richiederebbe tre ingredienti:
- Una rete bipartita consentirebbe alle unità di contro-ruotare l’una rispetto all’altra.
- Inizialmente e a riposo, ogni coppia di vettori di posizione dei poligoni vicini e il vertice tra di essi devono essere collineari.
- Il rapporto tra la distanza di un poligono da uno dei suoi vertici e la distanza del suo vicino dallo stesso vertice deve essere costante nella rete.
I ricercatori sottolineano che l’unicità della loro teoria risiede nel fatto che non è limitata a reticoli e può essere applicata direttamente a reti disordinate. Ciò consente la costruzione dei primi materiali auxetici perfetti isotropi. I ricercatori sono anche utili in quanto la loro teoria potrebbe essere estesa a materiali poliedrici 3D.
Mentre questa ricerca rappresenta una svolta, il lavoro sui materiali auxetici è in corso da tempo. Nei segmenti seguenti, esamineremo le aziende che hanno condotto lavori pionieristici su di essi.
#1. Nike
Uno dei marchi leader che ha realizzato lavori sofisticati in questo ambito di strutture auxetiche è Nike. Il brevetto Nike n. US9402439B2 riguarda strutture auxetiche che facilitano la costruzione di suole con strutture auxetiche.
Di solito, le calzature comprendono almeno due componenti principali:
- Una tomaia che fornisce l’involucro per accogliere il piede dell’utilizzatore
- Una suola fissata alla tomaia che funge da contatto principale con il suolo o la superficie di gioco
La suola può includere tre sotto-segmenti: una suola interna, una suola intermedia e una suola esterna. Nelle calzature Nike brevettate, almeno uno strato della suola è realizzato con una struttura auxetica. Essa è denominata strato auxetico.
Correre, girare, saltare o accelerare con queste scarpe mette lo strato auxetico sotto tensione longitudinale o laterale aumentata, allungandone la lunghezza e la larghezza. Ciò fornisce una trazione migliorata e assorbe parte degli impatti della superficie di gioco.
Nike ritiene che queste scarpe possano risultare vantaggiose per una vasta gamma di sport e attività ricreative, inclusi tennis e altri sport con racchetta, camminata, jogging, corsa, escursionismo, pallamano, allenamento, corsa o camminata su tapis roulant, e sport di squadra come basket, pallavolo, lacrosse, hockey su prato e calcio.
NKE Grafico dei prezzi
Per l’intero anno fiscale 2023, Nike ha riportato ricavi di 51,2 miliardi di dollari, in crescita del 10 percento rispetto all’anno precedente e del 16 percento su base neutra rispetto alla valuta.
#2. Airbus
Airbus Defence and Space ha ottenuto un brevetto su una struttura auxetica deformabile e sul processo di fabbricazione. L’invenzione mira a fornire una protezione leggera contro impatti ad alta energia nelle strutture e nei sistemi degli aeromobili mediante un unico pannello sandwich integrato che sfrutta il comportamento auxetico bidimensionale nelle due direzioni che formano la superficie del pannello.
Airbus suggerisce che tale protezione sarebbe altamente vantaggiosa in configurazioni di aeromobili con motori posteriori altamente integrati, inclusi architetture Open‑Rotor o Boundary‑Layer Ingestion. In queste configurazioni, sono richieste protezioni (schermature) per motivi di sicurezza contro impatti ad alta energia sulla fusoliera da rilascio di pale dell’elica (PBR) e detriti del motore (guasto di rotazione del motore non contenuto, piccoli frammenti e terzo disco).
La struttura presenta un assetto auxetico costituito da una moltitudine di celle auxetiche tridimensionali interconnesse. Questo design garantisce che, indipendentemente dal fatto che l’elemento di superficie abbia una superficie planare, curva o una composizione di superfici planari diverse, la struttura risultante otterrà un comportamento auxetico su ciascuno di questi piani. Inoltre, presenterà un comportamento auxetico in più di una dimensione perpendicolare alla direzione principale dell’impatto.
Nel 2023, Airbus ha registrato ricavi di oltre 65 miliardi di euro, un aumento significativo rispetto ai 58,8 miliardi di euro guadagnati nel 2022.
Creare Materiali Auxetici: Come Appare il Futuro
La ricerca che ha aperto la nostra discussione ha potuto ottenere numerose scoperte. Potrebbe fornire un modello semplice da seguire per creare, progettare e caratterizzare auxetici a unità rotanti. I modelli che convalidano la teoria sono stati potenti per simulazioni semplici per testare le proprietà dei materiali ignorando le forze di flessione. Tuttavia, i modelli erano predisposti a gestire la flessione se necessario. Il lavoro ha portato alla definizione delle regole fondamentali per creare auxetici perfetti isotropi mai visti prima. L’unica cosa necessaria era più ricerca sull’analisi dinamica e vibrazionale.
Mentre la ricerca e l’esplorazione sono un processo senza fine nella scienza e nella tecnologia, è necessario approfondire la fattibilità dei materiali auxetici come rinforzo, soprattutto per applicazioni portanti. Sono richieste deformazioni eccessive per attivare i vantaggi derivanti dall’auxeticità. Queste deformazioni potrebbero superare i limiti di servizio specificati per gli elementi strutturali sotto carico statico. A questo proposito, i ricercatori hanno indicato la necessità di progetti su misura che soddisfino sia i requisiti di resistenza sia di rigidità.
Nel campo delle applicazioni biomediche, nasce la necessità di auxetici 3D, che possono essere ottenuti solo tramite procedure di produzione additiva. Queste procedure dovrebbero essere migliorate per garantire le prestazioni a lungo termine dei dispositivi medici. Il processo avanzato basato su algoritmi per creare auxetici potrebbe essere utile in questi casi, poiché la maggior parte delle tecnologie additive porta a risultati intrinsecamente anisotropi a causa del processo strato per strato, che può influenzare le prestazioni meccaniche delle soluzioni.
Mentre queste sfide rimangono, i ricercatori sono fiduciosi che alcune delle tendenze future, se scalate con successo, possano portare a un’adozione più entusiasta degli auxetici. Tali tendenze includono la creazione di sinergie tra stampa 4D e geometrie auxetiche, la produzione di materiali a memoria di forma e meccanismi, ecc.
Gli auxetici potrebbero trovare un uso maggiore nei materiali bioibridi, dove una struttura auxetica colonizzata da cellule può portare a attuatori più autonomi. Secondo i ricercatori, questi materiali sono in grado di superare i materiali e le strutture “intelligenti”, attivi o multifunzionali attualmente disponibili.
Uno dei principali esempi di utilizzo dei bioibridi è nella forma di microbot che presentano uno chassis auxetico e meccanismi azionati da cellule viventi. Queste soluzioni, in particolare le cardiomiociti o le cellule muscoloscheletriche attivate da stimoli elettrici, possono essere utilizzate come attuatori chirurgici in futuro.
In sintesi, gli auxetici ci offrono un campo minato di opportunità. Tutto ciò che serve è più ricerca e risorse per scalare e fornire soluzioni fattibili che durino molto tempo.
