Scienza dei materiali
I metamateriali stampati a laser sono ora più resistenti e più flessibili
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Scoperta del MIT rende i materiali rigidi flessibili con i metamateriali
Material sciences is the domain of better understanding materials at the microscopic, often atomic level, in order to make them better. The most common goal is to make a material stronger than in its classical form, be it steel, glass, or ceramic.
Le scienze dei materiali sono il campo della migliore comprensione dei materiali a livello microscopico, spesso atomico, al fine di migliorarli. L’obiettivo più comune è rendere un materiale più resistente rispetto alla sua forma classica, sia esso acciaio, vetro o ceramica.
Fonte: MIT
Anche qui, la maggior parte della ricerca svolta si è concentrata sul rendere il prodotto finale più resistente del suo componente di base, con potenziali super acciai, fibre di carbonio, seta e altri materiali che potrebbero essere usati in corazze, costruzioni o progetti futuristici come gli ascensori spaziali.
Un nuovo tipo di metamateriale è ora in fase di invenzione, rendendo flessibili elementi altrimenti rigidi e rigidi. Questa scoperta è stata fatta da ricercatori del MIT e pubblicata su Nature Materials1, con il titolo “Double-network-inspired mechanical metamaterials”.
Come i metamateriali superano i materiali tradizionali
La creazione di microstrutture regolari in modo controllato può portare a una migliore performance di un materiale rispetto al suo componente di base. Questo può essere influenzato da molte diverse proprietà, come quelle elettromagnetiche, acustiche, di resistenza strutturale, termiche, ecc.
In generale, ciò comporta un compromesso. Per esempio, i materiali più resistenti tendono a diventare più rigidi, il che può ridurne l’uso pratico.
Quindi è una sorta di rivoluzione che i ricercatori del MIT stanno creando, mescolando metodi, rendendo un materiale più rigido e più resistente, ma anche più flessibile allo stesso tempo.
“Ci siamo resi conto che il campo dei metamateriali non ha davvero cercato di avere un impatto nel regno della materia morbida.
Finora, tutti noi abbiamo cercato i materiali più rigidi e più resistenti possibili.
Più Resistenti e più Flessibili: Risolvere il Compromesso dei Metamateriali
Finora, la maggior parte dei metamateriali è realizzata con un metodo simile alla stampa 3D, producendo travi e telai microscopici.
Fonte: ETH Zurich
Invece, i ricercatori del MIT hanno sviluppato un’architettura di molle intrecciate, o bobine, intrinsecamente più flessibili.
Nel loro esperimento iniziale, hanno usato un materiale simile al plexiglass, che dovrebbe essere molto rigido, e lo hanno assemblato “normalmente”. Quando intrecciato in un metamateriale, è diventato morbido e elastico, come la gomma.
“Stiamo aprendo questo nuovo territorio per i metamateriali.
Potresti stampare un metallo o ceramica a doppia rete, e potresti ottenere molti di questi vantaggi, poiché richiederebbe più energia per romperli e sarebbero significativamente più estensibili.
Questo è stato un buon inizio, poiché poteva utilizzare materiali resistenti e renderli morbidi e flessibili. Tuttavia, è stato un po’ troppo riuscito, poiché sebbene il materiale fosse estensibile, era “un po’ troppo morbido e cedevole”.
Design Ispirato all’Idrogel Incrementa Flessibilità e Durata
Un altro materiale eccezionale è l’idrogel, un tipo di composto morbido, estensibile, simile alla gelatina, composto principalmente da acqua e da una piccola struttura polimerica. Alcuni idrogel sono persino naturali, come la gelatina, per esempio.
I ricercatori del MIT hanno già trovato modi per rendere l’idrogel più resistente, mantenendo le sue capacità morbide ed estensibili. Lo fanno combinando più reti polimeriche con proprietà molto diverse, come una rete di molecole naturalmente rigida e una intrinsecamente morbida.
Così i ricercatori hanno adattato questo concetto al loro metamateriale di plexiglass. Hanno mescolato un metamateriale classico rigido e resistente usando una struttura a griglia di travi e telai, insieme a un pattern di bobine che si intrecciano attorno a ogni trave e telaio.
Entrambe le reti di materiale sono state realizzate contemporaneamente, usando una tecnica di stampa laser ad alta precisione chiamata litografia a due fotoni.
Fonte: LiqCreate
Come i Metamateriali a Doppia Rete Si Comportano a Qualsiasi Scala
Il metamateriale a doppia rete appena inventato è stato poi testato a diverse dimensioni. Alcuni campioni sono stati realizzati con componenti di diverse dimensioni, da diversi micron quadrati a diversi millimetri quadrati.
Successivamente hanno misurato la resistenza e la flessibilità risultanti usando telecamere ad alta velocità mentre spingevano il materiale al suo limite.
Fonte: MIT
La doppia rete si è dimostrata capace di allungarsi a 3 volte la sua lunghezza, cioè 10 volte più di un metamateriale convenzionale a pattern reticolare.
“Immagina questa rete intrecciata come un groviglio di spaghetti avvolti attorno a una griglia. Quando rompiamo la rete monolitica a griglia, quelle parti rotte si uniscono al resto, e ora tutti questi spaghetti si intrecciano con i pezzi della griglia.
Ciò favorisce un maggiore intreccio tra le fibre intrecciate, il che significa più attrito e più dissipazione di energia.
Come i Difetti Strategici Rendono i Metamateriali Ancora più Resistenti
Controintuitivamente, hanno anche scoperto che era possibile renderlo ancora più forte forando buchi nella griglia.
Questo difetto consente una dissipazione di energia ancora maggiore e aumenta la resilienza complessiva del prodotto finale.
“Potresti pensare che questo peggiori il materiale. Ma abbiamo visto che, una volta iniziato ad aggiungere difetti, abbiamo raddoppiato la quantità di allungamento che potevamo ottenere e triplicato la quantità di energia dissipata.
Ciò ci fornisce un materiale sia rigido che resistente, cosa solitamente contraddittoria.
Ciò ha permesso al team di ricerca di sviluppare un quadro teorico per prevedere meglio il comportamento di tali metamateriali.
Applicazioni Reali dei Metamateriali Flessibili del MIT
Un tale progetto sarà utile nella progettazione di tessuti e stoffe anti-lacerazione.
Semiconduttori flessibili, imballaggi di chip elettronici e supporti durevoli ma conformabili su cui far crescere cellule per la riparazione dei tessuti potrebbero anche beneficiare di questa tecnologia.
Un’altra opzione sarebbe applicare questo concetto di mescolare diversi metamateriali insieme (travi e telai insieme a bobine) a materiali attualmente fragili. Potrebbe conferire loro sia più flessibilità sia più resilienza contemporaneamente.
La stessa idea potrebbe essere usata per aggiungere nuove specifiche ai materiali esistenti, ad esempio rendendoli naturalmente reattivi al loro ambiente.
“Finora abbiamo parlato di proprietà meccaniche, ma cosa succederebbe se potessimo renderle anche conduttive o sensibili alla temperatura?
Per fare ciò, le due reti potrebbero essere realizzate con diversi polimeri che rispondono alla temperatura in modi differenti, così un tessuto può aprire i suoi pori o diventare più flessibile quando è caldo e più rigido quando è freddo.
Investire nel Futuro dei Metamateriali Commerciali
DuPont
DD Grafico dei prezzi
DuPont è una enorme azienda chimica con molti importanti prodotti chimici di marca, come Kevlar, Styrofoam, Nomex (protezione antincendio), Great Stuff (adesivo per costruzioni), ecc. La sua ricerca avanzata sui polimeri e i marchi di materiali protettivi potrebbero posizionarla per beneficiare delle tecnologie dei metamateriali a doppia rete.
DuPont è una corporazione antica con una storia complessa di acquisizioni e, più recentemente, una serie di spin-off.
Fonte: DuPont
Questi spin-off hanno separato da DuPont i dipartimenti di nutrizione e bioscienze, parzialmente venduti a Corteva Biosciences (CTVA ), prodotti di titanio formando la Chemours Company (CC ), e mobilità.
Separarà anche la sua attività di prodotti chimici elettronici a novembre 2025, ma manterrà il segmento acqua (membrane e filtri per la purificazione e desalinizzazione dell’acqua), contrariamente ai piani precedenti.
Fonte: DuPont
Questo lascerà DuPont un’azienda molto più focalizzata, con un’attività principale nei polimeri avanzati per la purificazione dell’acqua e attrezzature di protezione, nonché materiali avanzati per l’aerospazio, la sanità e i veicoli elettrici.
Fonte: DuPont
DuPont è una vera corporazione internazionale, con una forte domanda di prodotti chimici speciali per la purificazione dell’acqua e la produzione industriale.
I settori serviti dai prodotti chimici DuPont sono anche molto vari, includendo costruzione, purificazione dell’acqua, industria elettronica, automotive, aerospazio, sanità, energia verde e produzione industriale.
Fonte: DuPont
La forte presenza di DuPont nelle attrezzature protettive e la posizione consolidata con il marchio Kevlar, un polimero ad alte prestazioni, dovrebbe aiutarla ad adattare nuove forme di metamateriali in prodotti commerciali.
In ogni caso, man mano che le nuove tecnologie crescono, così come il consumo d’acqua, cresce anche la domanda di prodotti chimici avanzati prodotti da DuPont.
Ultime Notizie su DuPont
Studi Riferiti:
1. Surjadi, J.U., Aymon, B.F.G., Carton, M. et al. (2025) Double-network-inspired mechanical metamaterials. Nat. Mater. https://doi.org/10.1038/s41563-025-02219-5
