Dall’Aerospazio alle Applicazioni Domestiche, Sensori Auxetici Avanzati Pronti per un Uso Diffuso

I materiali auxetici differiscono dai materiali classici perché mostrano coefficienti di Poisson negativi. In altre parole, sotto la forza di trazione applicata nella direzione longitudinale, gli auxetici si espandono nella direzione trasversale perpendicolare. 

Gli scienziati continuano a cercare proprietà auxetiche nei materiali. Recentemente, Noah Stocek, dottorando che collabora con fisico di Western Giovanni Fanchini, ha sviluppato un tale nanomateriale. 

Nanosfoglie Auxetiche Bidimensionali

Entrambi gli scienziati hanno lavorato presso Interface Science Western per sviluppare nanosfoglie 2‑D di semi‑carburo di tungsteno, noto anche come W2C. Si tratta di composti chimici contenenti parti uguali di atomi di tungsteno e carbonio. In linea con le proprietà dei materiali auxetici, questi nanomateriali si espandono perpendicolarmente alla forza applicata quando vengono allungati in una direzione. 

Lo sviluppo è significativo perché è solo il secondo materiale a espandersi sostanzialmente in modo opposto ai materiali classici. Prima di questo, era stato segnalato un solo materiale capace di espandersi del 10 % per unità di lunghezza in modo controintuitivo. L’attuale nanomateriale, la nanosfoglia di semi‑carburo di tungsteno, può espandersi del 40 %. È un nuovo record mondiale. Mentre spiegava il risultato di questo sviluppo, Stoeck ha dichiarato: 

“Nel 2018, i teorici avevano previsto che potesse mostrare questo comportamento a un livello eccellente, ma nessuno era riuscito a svilupparlo, nonostante i numerosi tentativi dei gruppi di ricerca di tutto il mondo.”

Per spiegare più in dettaglio ciò che Stoeck e Fanchini hanno sviluppato, hanno riportato scientificamente ed experimentalmente un sistema di deposizione al plasma remoto a doppia zona progettato ad hoc, capace di far crescere carburi di tungsteno fuori dall’equilibrio termodinamico con rapporti ben sintonizzati di precursori di W e C. La ricerca ha evidenziato le condizioni specifiche in cui questo sistema ha permesso la sintesi di scaglie di semi‑carburo di tungsteno a pochi strati (FL‑W2C). Queste scaglie erano bidimensionali, poiché potevano mantenere la loro periodicità a livello mesoscopico in un processo di crescita Stranski–Krastanov.

Un Nuovo Passaggio dai Metodi Chimici alla Fisica del Plasma

Il duo di sviluppatori aveva identificato, in una fase molto precoce del loro processo, che era impossibile costruire un nuovo nanomateriale di semi‑carburo di tungsteno usando metodi chimici. Di conseguenza, sono passati alla fisica del plasma, con l’obiettivo di formare strati di atomi singoli. 

Per realizzare lo sviluppo del nanomateriale sfruttando i metodi a plasma, il duo ha abbandonato la via convenzionale dei forni speciali in cui i gas potevano essere riscaldati ad alta temperatura per reagire chimicamente e formare la sostanza. Hanno progettato un nuovo sistema strumentale personalizzato per produrre plasma, che contiene particelle elettricamente cariche. 

Applicazioni del Nuovo Nanomateriale Sviluppato

Una delle applicazioni potenziali più utili di queste nanosfoglie potrebbe essere un tipo radicalmente nuovo di estensimetro. Questi sensori potrebbero misurare l’espansione in modo molto efficace e allungarsi in tutto, dalle ali degli aerei all’impianto idraulico domestico.

Poiché questi materiali sono più conduttivi elettricamente, possono essere usati in sensori o dispositivi per rilevare cambiamenti e spostamenti nell’ambiente. Non solo possono rilevare questi cambiamenti, ma grazie alle loro capacità di “sensore”, possono anche inviare informazioni ad altri dispositivi elettronici. 

Mentre illustrava una delle possibili applicazioni, Stoeck ha detto:

“Immagina di voler sapere se un tubo nella tua casa si sta deformando e rischia di scoppiare. Puoi attaccare un sensore al tubo realizzato con questo nanomateriale bidimensionale e poi usare un computer per monitorare la corrente che lo attraversa. Se la corrente aumenta, significa che il tubo si sta espandendo e rischia di scoppiare.”

In futuro, ulteriori sviluppi sulle proprietà auxetiche di un materiale porteranno sicuramente a nuove soluzioni. Per ora, aziende come Michigan Scientific Corporation e Omega sono profondamente impegnate nella produzione e nello sviluppo di estensimetri. Queste aziende potrebbero iniziare a sfruttare questo sviluppo e il nanomateriale prodotto come risultato per ampliare il loro portafoglio di prodotti/soluzioni. 

#1. Omega

Omega, marchio DwyerOmega, può sfruttare il nanomateriale per potenziare ulteriormente la sua robusta e diversificata linea di estensimetri. I suoi estensimetri a diaframma possono misurare deformazione e sforzo in una varietà di applicazioni, inclusi pressione, forza, spostamento e deformazione in metalli, plastica e compositi. La linea di estensimetri a doppio parallelo aiuta a misurare in modo affidabile lo stress di flessione in numerose applicazioni. 

Omega offre anche estensimetri di torsione e taglio, estensimetri lineari, estensimetri a T‑rosetta e estensimetri a rosetta. Con tolleranze strette per un allineamento più semplice, gli estensimetri Omega garantiscono prestazioni affidabili e stabilità a lungo termine. I suoi estensimetri Full Bridge e Half Bridge mostrano eccellente linearità su un’ampia gamma di temperature. 

I suoi estensimetri T‑Rosetta possono misurare gli effetti di temperatura, carico e vibrazione sui componenti. Sono particolarmente utili per misurare stress biaxiali con direzioni principali note.

L’azienda è perfettamente posizionata per sviluppare una nuova linea di prodotti basata su estensimetri auxetici o per espandere la linea esistente con proprietà auxetiche. 

DwyerOmega è emerso come marchio dopo Dwyer Instruments, Inc. ha concordato di acquisire OMEGA Engineering, Inc. da Spectris plc (LSE:SXS) per circa 530 milioni di dollari il 19 aprile 2022. Dwyer ha pagato 525 milioni di dollari a una valutazione di circa 20,4× l’EBITDA aggiustato di Omega del 2021. Per l’anno finanziario 2021, Omega ha generato vendite per £129 milioni (168 milioni di dollari) e un EBITDA aggiustato di £19,7 milioni (25,7 milioni di dollari).

#2. Michigan Scientific Corporation

Michigan Scientific Corporation, azienda privata con sede a Charlevoix, Michigan, Stati Uniti, è nota per offrire una gamma di servizi ingegneristici, prodotti e soluzioni. Un ambito in cui questa azienda potrebbe sfruttare brillantemente questo sviluppo è il servizio di estensimetri. 

L’azienda è specializzata nella progettazione e creazione di trasduttori di estensimetri su misura, che potrebbero essere usati in vari casi, inclusa la misurazione delle forze di sospensione dei veicoli, coppie del gruppo propulsore, forze dei componenti dello sterzo, carichi di motori e motori, e coppie di frenata sui veicoli sul campo.

Le soluzioni di Michigan includono trasduttori di coppia per alberi, trasduttori per alberi a gomito, trasduttori a perno di taglio e prodotti per la misurazione di strain su semialberi, alberi di trasmissione, forze assiali e altro ancora.

Le applicazioni strumentali di queste soluzioni includono strumentazione di schede circuitali per monitorare lo stress, pannelli di porte di camere termiche monitorati per deformazioni durante la produzione, e alberi di trasmissione di dimensioni industriali completamente strumentati.Queste soluzioni raccolgono e analizzano anche i dati ottenuti dai progetti in cui sono impiegate. 

Abbiamo già visto che le capacità “sensore” dei nuovi estensimetri aggiungono valore. Questo sarebbe un valore aggiunto anche per Morgan Scientific Corporation, che si occupa di installare estensimetri in loco presso le sedi dei clienti per strumentare i componenti del cliente e registrare dati a supporto di una gamma di attività di test e sviluppo. 

Altri Recenti Progressi Significativi negli Auxetici

Auxetici nella Costruzione Civile

Secondo i rapporti pubblicati nell’International Journal of Protective Structures, i materiali auxetici stanno trovando un uso crescente nei settori legati all’ingegneria civile. Possono essere combinati con materiali cementizi in varie forme, inclusi compositi schiuma‑malta, compositi tessuto‑malta e compositi cementizi rinforzati con fibre. 

Strati di schiuma auxetica, per esempio, si rivelano utili nel retrofitting di pareti di muratura fragili sotto compressione. Incrementano significativamente l’effetto di indurimento per deformazione post‑snervamento nel composito cementizio.

I tessuti auxetici offrono una maggiore rigidità al taglio e una notevole tenacità alla frattura. Di conseguenza, questi compositi sono utili per superare le sfide poste dalla bassa resistenza alla compressione del Mortaio Schiumoso Auxetico (AFM), che presenta una struttura porosa e bassa densità.

Il composito cementizio rinforzato con fibre auxetiche risolve molti dei difetti dei materiali cementizi tradizionali, inclusi scarsa duttilità, insufficiente resistenza alla trazione, e bassa tenacità alla frattura.

Auxetici nelle Fibre

Le fibre auxetiche possono essere impiegate in una vasta gamma di settori, inclusi materiali compositi, abbigliamento protettivo personale, tappezzeria, corde, cavi, reti da pesca e molto altro. Le proprietà che le fibre auxetiche conferiscono a queste applicazioni includono resistenza al tiraggio delle fibre, tenacità alla frattura delle fibre, assorbimento di energia, densificazione e resistenza all’indentazione, resistenza all’impatto e altro ancora.

Auxetici nel Biomedicale 

Gli auxetici possono contribuire in modo significativo ai sotto‑segmenti biomedicali di protesi, impianti chirurgici, ancoraggi per suture/muscoli/legamenti e persino dilatatori che aiutano ad aprire i vasi sanguigni durante la chirurgia cardiaca. 

Auxetici nel Migliorare la Qualità dei Piezoelettrici

Gli elettrodi possono essere costruiti di metalli auxetici. Questi elettrodi potrebbero funzionare inserendo un polimero piezoelettrico tra due strati o incorporando bastoncini ceramici piezoelettrici in una matrice polimerica auxetica. Hanno una notevole capacità di migliorare le prestazioni piezoelettriche e possono aumentare la sensibilità del dispositivo di almeno un fattore due e fino a un centinaio di volte.

Uso degli Auxetici nei Filtri

La pulizia di filtri intasati è fattibile usando schiuma auxetica e filtri a nido d’ape. In particolare, le inclusioni auxetiche aiutano a regolare le dimensioni e la forma dei pori del filtro in modo efficace. Compensano inoltre gli effetti dell’accumulo di pressione in un filtro intasato. Un filtro auxetico può aprire i pori in entrambe le direzioni — lungo e trasversale rispetto alla direzione del carico di trazione.

Progettare Materiali Auxetici su Richiesta

Come dimostrano i segmenti precedenti, l’uso di auxetici avanzati si sta espandendo rapidamente e quotidianamente verso nuove aree di applicazione. Per rispondere a questa domanda, i ricercatori hanno già condotto studi preziosi sulla progettazione di materiali auxetici su richiesta. 

Nel 2022, una Una ricetta in tre passaggi per progettare materiali auxetici su richiesta è stata pubblicata, dove i ricercatori hanno stabilito un quadro unificato per descrivere auxetici perfetti bidimensionali con potenziale utilizzo nel design di nuovi materiali. 

La ricerca si è basata fortemente sul legame naturale tra unità rigide rotanti e sistemi di spin antiferromagnetici. I ricercatori hanno inoltre elaborato le condizioni che facilitano l’emergere di una modalità floscia non banale che causa il comportamento auxetico. 

La ricerca ha indicato tre progetti per nuovi auxetici: un cristallo esotico, un quasicristallo di Penrose e un auxetico isotropico tanto desiderato. Gli autori hanno affermato che l’auxeticità di questi progetti potrebbe rimanere robusta sotto piccole perturbazioni strutturali, convalidata da esperimenti e simulazioni numeriche. 

La teoria della ricerca ha rappresentato ogni progetto con un modello minimale. Questi modelli erano basati su poligoni e molle in grado di catturare la risposta collettiva essenziale di questi modelli ai carichi esterni. 

I ricercatori speravano che questi modelli potessero essere simulati direttamente per testare le proprietà dei materiali ignorando le forze di flessione. Un altro risultato significativo è stato la capacità di generalizzare il comportamento delle pareti di dominio auxetico e delle texture naturali di questi sistemi grazie alla loro analogia con i sistemi magnetici.

Infine, i partecipanti alla ricerca hanno affermato che il lavoro è rivoluzionario perché potrebbe stabilire le regole fondamentali per creare auxetici isotropici perfetti mai visti prima. Erano anche fiduciosi che la ricerca potesse trovare applicazione nella produzione di materiali poliedrici 3D.

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Il Futuro dei Materiali Auxetici Avanzati

È ormai dimostrato senza dubbio che le strutture auxetiche hanno superato la fase di un unico design per soluzioni personalizzate in grado di svolgere una gamma di funzioni. La loro evoluzione ha visto varianti di pattern elementari 2D, strutture ibride e innovativi upgrade dimensionali orientati alle prestazioni. L’evoluzione ha anche registrato un ampliamento della lista dei materiali che possono incorporare caratteristiche auxetiche. L’elenco dei materiali compatibili ora comprende polimeri, ceramiche, metalli, biomateriali, cemento, tessuti e composti cementizi.

Modelli strutturali diversificati e modelli di fabbricazione generalizzati – entrambi hanno registrato miglioramenti, risultando nel comportamento auxetico di materiali ad alta rigidità. Ricercatori e tecnologi stanno inoltre studiando le proprietà di redistribuzione dello stress dei materiali auxetici. 

Tuttavia, per far progredire gli auxetici, è necessario superare alcune sfide. Per esempio, le prestazioni sotto impatto ad alta velocità e i meccanismi di deformazione e rottura richiedono un’analisi più approfondita. È necessario più lavoro sull’implementazione della resistenza all’impatto. Un’adeguata attenzione a questi aspetti potrebbe trasformare gli auxetici in una caratteristica scientifica e tecnologica di immenso valore nella vita quotidiana.

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