I metamateriali sono materiali in cui le prestazioni dipendono soprattutto dalla microstruttura interna (architettura geometrica) più che dalla sola composizione chimica. Molti metamateriali studiati negli ultimi anni puntano a rigidezza e resistenza con strutture leggere; il lavoro del MIT sposta invece l’attenzione su una famiglia di microstrutture compliant e deformabili, pensate per scenari in cui servono grandi deformazioni controllate, contatto tra elementi e risposta non lineare.
La classe dei “3D woven metamaterials”: fibre intrecciate che si auto-contattano e si aggrovigliano
Il MIT definisce questi materiali come metamateriali tessuti 3D: la “cellula” di base non è una trave singola o un reticolo rigido tradizionale, ma un insieme di fibre intrecciate che possono toccare sé stesse (self-contact) e entanglement (aggrovigliamento). Questo comportamento, spesso indesiderato nelle strutture ingegneristiche, qui diventa un elemento progettuale: l’intreccio può introdurre risposta anisotropa, irrigidimento a trazione in certe direzioni, e modalità di danneggiamento “guidate” dalla geometria.
Il punto chiave: un framework computazionale che sostituisce la progettazione manuale
Nel lavoro firmato dal gruppo di Carlos M. Portela (MIT Department of Mechanical Engineering), la progettazione di queste architetture viene trasformata da processo artigianale (molte scelte “a mano”) a procedura algoritmica. L’obiettivo dichiarato è ampliare lo spazio delle soluzioni esplorabili e rendere praticabile la generazione di famiglie di reticoli tessuti 3D con proprietà impostate a progetto, inclusa la possibilità di introdurre eterogeneità arbitraria e gradienti funzionali (zone più rigide e zone più morbide nello stesso componente).
Dal “reticolo a travi” al “reticolo tessuto” usando grafi
Il framework rappresenta la topologia del metamateriale tramite un grafo: nodi e connessioni diventano un linguaggio intermedio che consente di “tradurre” un’architettura reticolare in una versione tessuta, dove le connessioni sono implementate come fibre intrecciate con parametri geometrici controllabili. In pratica il grafo governa come ogni fibra viene posizionata, come attraversa la cella, e come interagisce con le altre fibre nei punti di incrocio o contatto. Questa scelta è importante perché rende la progettazione più “scalabile”: cambiare topologia o combinare topologie diverse diventa un’operazione sul grafo, non un lavoro di modellazione 3D ripetitivo.
Parametri geometrici: raggio e passo delle fibre, e unit cell “graduabili”
I “mattoni” del sistema sono unit cell tessute che possono essere modificate localmente variando parametri come raggio e pitch (passo) delle fibre che compongono gli elementi intrecciati (“woven struts”). La conseguenza pratica è la possibilità di ottenere proprietà meccaniche non uniformi: la stessa parte può essere progettata per cambiare rigidezza lungo una direzione, oppure per mostrare deformazioni programmabili quando viene tirata o piegata, senza cambiare materiale di base.
Simulazione: previsione di deformazione e rottura includendo contatto e entanglement
Oltre alla generazione della geometria, il MIT abbina un framework di simulazione che mira a catturare fenomeni tipici delle architetture intrecciate: self-contact, attriti/contatti localizzati e nodi di aggrovigliamento che emergono durante la deformazione. L’idea è usare la simulazione non solo per “vedere cosa succede”, ma per progettare una risposta: ad esempio prevedere dove si concentrerà la deformazione, dove si avvierà una lacerazione, e come orientare la microstruttura per ottenere una modalità di rottura voluta (failure patterns).
Dati e verifiche: anisotropia, grande allungamento e test in situ
Nel preprint arXiv associato (poi confluito nel lavoro in Nature Communications secondo MIT News), gli autori descrivono una finestra di proprietà in cui la rigidezza anisotropa può variare di oltre un ordine di grandezza e la stretchability può arrivare a un allungamento fino a 4× (stretch of four) all’interno dello spazio progettuale generato dal framework. TechXplore riporta anche un esempio di confronto tra simulazione “beam-element” e test di trazione in situ su un reticolo intrecciato (es. configurazione BCC su campione 2×2×2), a supporto della validazione sperimentale alle micro-scale.
Chi sono gli autori e quali enti sono coinvolti
Il lavoro è guidato da Molly Carton (lead author), con James Utama Surjadi, Bastien F. G. Aymon e Carlos M. Portela nel preprint arXiv. MIT News indica inoltre ulteriori autori affiliati al MIT: Ling Xu e specifica che Carton è passata da postdoc al MIT a assistant research professor presso la University of Maryland. Le attività sperimentali citano l’utilizzo delle infrastrutture MIT.nano per fabbricazione e caratterizzazione.
Che cosa cambia per la progettazione di “tessili stampabili” e schiume funzionali
L’aspetto più operativo è la combinazione: (1) regole di design formalizzate, (2) generazione di architetture tessute 3D con variazioni locali, (3) modelli per prevedere risposte complesse e (4) output utilizzabile per stampa 3D o simulazione. MIT News collega questa direzione a campi dove i materiali devono seguire movimenti, contatti e deformazioni grandi: soft robotics, dispositivi biomedicali, sensori indossabili che si muovono con la pelle, e “printable textiles” per esigenze anche aerospaziali o difesa (come famiglia di applicazioni possibili, non come prodotto specifico).
Limiti pratici e prossimi passi ragionevoli
Un framework di questo tipo non elimina i vincoli di fabbricazione: risoluzione, tolleranze, ripetibilità dei contatti, e sensibilità a attrito e imperfezioni possono influire su quanto la risposta reale coincida con la risposta simulata. Il contributo dichiarato, però, è rendere queste complessità parte del progetto (contatto/entanglement/failure) e non solo un effetto collaterale. In termini di adozione, la disponibilità di codice rilasciato come strumento software e l’aggancio a una pubblicazione peer-reviewed puntano a favorire replicabilità e confronto tra gruppi diversi.
