Un gruppo di ricercatori della University of Illinois Urbana-Champaign e della Technical University of Denmark ha realizzato un mantello termico tridimensionale capace di deviare il flusso di calore attorno a oggetti con forme complesse.
Il dispositivo non rende un oggetto invisibile alla luce e non cancella il calore prodotto da una sorgente. La sua funzione consiste nel modificare il percorso attraverso il quale il calore si diffonde in un materiale, in modo che la presenza dell’oggetto protetto non alteri il campo termico circostante.
Osservando dall’esterno la distribuzione delle temperature, il calore sembra attraversare la zona senza incontrare alcun ostacolo. L’oggetto rimane fisicamente al centro della struttura, ma la perturbazione termica che normalmente ne rivelerebbe la presenza viene ridotta.
Il risultato è stato ottenuto attraverso un metamateriale formato da una struttura reticolare metallica stampata in 3D e combinata con materiali polimerici caratterizzati da una conducibilità termica molto più bassa.
Lo studio è stato condotto da Weichen Li, Yibo Wang, Ole Sigmund e Xiaojia Shelly Zhang. I ricercatori hanno dimostrato il funzionamento del sistema con geometrie tridimensionali libere, arrivando a nascondere dal punto di vista termico un volume a forma di mela all’interno di una struttura esterna a forma di pera.
Che cosa significa nascondere un oggetto dal calore
Quando il calore attraversa un materiale omogeneo, si sposta dalle zone più calde verso quelle più fredde secondo percorsi relativamente regolari.
L’inserimento di un oggetto modifica questo comportamento. Se il corpo ha una conducibilità termica diversa da quella dell’ambiente circostante, il flusso viene deviato, rallentato o concentrato. La distribuzione delle temperature attorno all’oggetto cambia e questa alterazione può rivelarne la presenza.
Una termocamera o una rete di sensori potrebbe quindi individuare un elemento nascosto non osservandolo direttamente, ma rilevando la distorsione prodotta nel campo termico.
Il mantello sviluppato dai ricercatori interviene su questa distorsione. La struttura guida il calore attorno alla regione interna e ricompone il flusso sul lato opposto.
Il comportamento può essere paragonato a quello di un corso d’acqua che si divide davanti a una roccia, scorre attorno all’ostacolo e torna a unirsi dietro di esso. La differenza è che, nel mantello termico, i percorsi vengono progettati per ridurre anche le tracce lasciate dall’ostacolo.
L’obiettivo non consiste quindi nel bloccare il calore. Un semplice isolante potrebbe rallentare il trasferimento termico, ma produrrebbe una zona chiaramente distinguibile. Il mantello deve invece consentire al calore di aggirare l’oggetto mantenendo all’esterno una distribuzione simile a quella che si avrebbe in sua assenza.
Il passaggio dai mantelli bidimensionali alle strutture 3D
I mantelli termici non sono un concetto nuovo. Il loro funzionamento è stato studiato attraverso la cosiddetta termotica di trasformazione, un approccio matematico derivato da metodi utilizzati anche nel controllo delle onde elettromagnetiche.
La difficoltà principale non è stata formulare il principio teorico, ma costruire materiali reali con le proprietà richieste.
Molti dei precedenti dispositivi erano limitati a configurazioni bidimensionali, a superfici piane o a forme regolari come cerchi, cilindri e sfere. Alcune strutture tridimensionali erano in realtà estrusioni di geometrie 2D, capaci di funzionare soprattutto lungo direzioni prestabilite.
Un oggetto reale, però, può essere colpito dal calore dall’alto, dal basso, lateralmente o da più direzioni nello stesso momento.
Per ottenere un mantello realmente tridimensionale e omnidirezionale occorre controllare la conduzione lungo tutti e tre gli assi dello spazio. La conducibilità deve inoltre cambiare da punto a punto e assumere valori differenti a seconda della direzione.
Questa proprietà prende il nome di anisotropia termica.
In un materiale isotropo, il calore si propaga nello stesso modo in tutte le direzioni. In un materiale anisotropo può invece viaggiare più facilmente lungo un asse e incontrare maggiore resistenza lungo un altro.
Il mantello dell’Illinois combina anisotropia e variazione spaziale delle proprietà. Ogni zona della struttura contribuisce a orientare il flusso nella direzione prevista dal modello matematico.
Un metamateriale definito dalla geometria
Il dispositivo appartiene alla categoria dei metamateriali, materiali nei quali il comportamento complessivo dipende soprattutto dall’architettura interna.
Non è necessario inventare una nuova sostanza chimica con proprietà sconosciute. Si possono utilizzare materiali esistenti, disposti però secondo geometrie capaci di produrre un comportamento che i singoli costituenti non mostrerebbero da soli.
Nel progetto sono stati combinati un materiale metallico altamente conduttivo e un polimero molto meno conduttivo.
La parte metallica è costituita dalla lega di alluminio AlSi10Mg, ampiamente utilizzata nella produzione additiva metallica. Il materiale presenta una conducibilità termica indicata nello studio pari a circa 113 watt per metro-kelvin.
La seconda componente è il PDMS, un elastomero siliconico con conducibilità di circa 0,16 watt per metro-kelvin.
La differenza fra i due valori è fondamentale. Il reticolo in alluminio crea percorsi preferenziali lungo i quali il calore può propagarsi più rapidamente, mentre il polimero limita il trasferimento nelle altre direzioni.
Variando lo spessore, l’orientamento e la distribuzione degli elementi metallici, i ricercatori possono regolare la conducibilità effettiva di ogni zona del mantello.
Il materiale di fondo utilizzato negli esperimenti è un incapsulante termicamente conduttivo DOWSIL TC-6020, prodotto da Dow, con conducibilità di circa 2,72 watt per metro-kelvin.
Per le parti in PDMS è stato invece impiegato DOWSIL 184.
La presenza di Dow nello studio riguarda quindi la fornitura e l’impiego dei materiali siliconici. Il progetto scientifico è stato sviluppato dalle due università e non rappresenta un prodotto commerciale annunciato dall’azienda.
Il reticolo metallico stampato in 3D
Il cuore del sistema è una microstruttura formata da tre gruppi di elementi metallici orientati lungo direzioni differenti.
Ogni cella contiene barre a sezione quadrata. Le dimensioni delle tre famiglie di barre possono essere modificate indipendentemente, permettendo di controllare il trasferimento di calore lungo tre direzioni principali.
Dove è necessario favorire la conduzione lungo un certo percorso, gli elementi metallici possono essere più spessi. Dove il calore deve incontrare maggiore resistenza, la sezione viene ridotta e aumenta il ruolo del materiale polimerico.
Il reticolo cambia quindi forma e orientamento mentre attraversa il volume del mantello.
Una delle difficoltà consiste nel mantenere tutti gli elementi collegati. Una struttura che funziona correttamente dal punto di vista matematico, ma contiene parti isolate o impossibili da produrre, non può essere utilizzata.
Il metodo sviluppato dal gruppo genera invece un reticolo globalmente connesso. Le diverse famiglie di elementi si uniscono in una struttura continua, compatibile con la produzione additiva.
La stampa 3D metallica diventa essenziale perché consente di realizzare variazioni progressive di spessore, orientamento e densità senza dover assemblare migliaia di componenti.
Con lavorazioni tradizionali sarebbe difficile produrre un reticolo tridimensionale che cambia continuamente geometria all’interno di una forma curva.
Dall’omogeneizzazione alla de-omogeneizzazione
Il metodo utilizzato dai ricercatori è descritto come de-omogeneizzazione tridimensionale.
L’omogeneizzazione viene impiegata per descrivere una microstruttura complessa attraverso proprietà equivalenti. Invece di calcolare il comportamento di ogni singolo elemento, si considera il materiale come un mezzo continuo dotato di una determinata conducibilità media.
Nel progetto il processo viene percorso nella direzione opposta.
Il modello matematico stabilisce dapprima quali proprietà termiche dovrebbe possedere ogni punto del mantello. Queste proprietà teoriche vengono poi trasformate in una struttura fisica fatta di barre, vuoti e materiali differenti.
La de-omogeneizzazione traduce quindi un campo continuo di conducibilità in una geometria realmente fabbricabile.
Il sistema deve rispettare contemporaneamente più condizioni:
- produrre la conducibilità richiesta;
- orientare correttamente il flusso;
- mantenere la continuità del reticolo;
- evitare dettagli troppo piccoli per la stampa;
- adattarsi alla geometria esterna;
- seguire la forma della cavità interna;
- limitare il costo computazionale.
Gli approcci basati soltanto sull’ottimizzazione topologica possono richiedere calcoli molto pesanti quando vengono applicati a volumi 3D complessi. Possono inoltre generare forme difficili da interpretare, pulire o fabbricare.
La soluzione dell’Illinois utilizza una famiglia di celle relativamente semplice, descritta da tre parametri principali. Questa scelta riduce la complessità del calcolo pur mantenendo un ampio intervallo di proprietà termiche ottenibili.
Una mela termicamente nascosta dentro una pera
Per dimostrare la libertà geometrica del metodo, i ricercatori hanno scelto un esempio facilmente riconoscibile.
La regione da nascondere ha la forma di una mela, mentre il mantello esterno assume la forma di una pera.
Non si tratta soltanto di una scelta grafica. Le due superfici hanno curvature, larghezze e geometrie differenti, più complesse rispetto a un semplice guscio sferico.
Il reticolo deve adattarsi allo spazio compreso fra la mela interna e la pera esterna, modificando la propria direzione in ogni punto.
I test numerici ed esperimentali hanno mostrato che il calore può essere applicato lungo assi differenti senza produrre all’esterno la distorsione che ci si aspetterebbe dalla presenza della cavità.
Il dispositivo è quindi omnidirezionale nel senso termico: non viene progettato per un’unica direzione di riscaldamento.
Questo aspetto distingue il lavoro da alcuni mantelli irregolari precedenti, che potevano offrire buone prestazioni soltanto quando il gradiente termico arrivava da una direzione specifica.
Non è un mantello per diventare invisibili alle termocamere
L’espressione “mantello termico” può far pensare a un sistema capace di nascondere una persona, un veicolo o un oggetto caldo da una telecamera a infrarossi.
Il dispositivo studiato non svolge direttamente questa funzione.
Una termocamera rileva la radiazione infrarossa emessa dalla superficie di un oggetto. Il mantello della University of Illinois controlla invece il trasferimento di calore per conduzione all’interno di un mezzo solido o composito.
La distinzione è importante.
Il sistema non è un rivestimento da indossare e non modifica automaticamente l’emissione infrarossa di un oggetto esposto all’aria. Inoltre, gli esperimenti non dimostrano l’occultamento di una sorgente termica autonoma in condizioni ambientali aperte.
Lo studio riguarda soprattutto il modo in cui il calore attraversa materiali solidi e strutture composite.
Le applicazioni più realistiche si trovano quindi nella gestione termica, nella protezione di componenti e nel controllo dei percorsi di conduzione.
Come è stato prodotto il prototipo
La struttura conduttiva in AlSi10Mg è stata realizzata mediante stampa 3D metallica.
Dopo la produzione del reticolo, gli spazi sono stati riempiti con il PDMS DOWSIL 184. Per formare le parti polimeriche sono stati utilizzati stampi prodotti a loro volta mediante stampa 3D in plastica.
Il materiale di fondo è stato colato utilizzando l’incapsulante termicamente conduttivo DOWSIL TC-6020.
La fabbricazione ha quindi combinato tre processi:
- stampa 3D metallica del reticolo conduttivo;
- stampa 3D polimerica degli stampi;
- colata dei siliconi e dell’incapsulante.
Questa combinazione mostra che il mantello non viene prodotto interamente in un solo ciclo additivo. La stampa 3D realizza la geometria che controlla il calore, mentre la colata permette di completare il composito con i materiali a bassa e media conducibilità.
Negli esperimenti un’estremità del campione è stata riscaldata elettricamente, mentre l’altra è stata mantenuta fredda attraverso acqua ghiacciata.
In questo modo è stato creato un gradiente termico controllato. La distribuzione delle temperature ha permesso di confrontare il comportamento del campione con e senza mantello.
Perché servono materiali con conducibilità tanto diversa
L’anisotropia richiesta non dipende soltanto dalla forma del reticolo. È favorita anche dalla forte differenza tra la conducibilità dell’alluminio e quella del PDMS.
Il calore tende a seguire i percorsi metallici perché oppongono una resistenza termica inferiore.
Il polimero riempie gli spazi circostanti e impedisce che il calore si propaghi con la stessa facilità in tutte le direzioni.
Il reticolo funziona quindi come una rete tridimensionale di strade termiche. L’alluminio rappresenta le vie preferenziali, mentre il PDMS regola e limita i collegamenti trasversali.
La conducibilità complessiva non coincide con quella di uno dei due materiali, ma dipende dalla loro distribuzione.
Modificando localmente la quantità di metallo e la direzione delle barre, la struttura può simulare un materiale la cui conducibilità cambia nello spazio.
È questo comportamento graduale e anisotropo che permette al calore di curvare attorno alla regione interna.
Forme esterne e interne indipendenti
Uno dei vantaggi del metodo è la possibilità di progettare separatamente la forma dell’oggetto da proteggere e quella esterna del mantello.
La cavità interna non deve essere necessariamente sferica. Può seguire la geometria del componente, del sensore o della zona sensibile.
Anche il profilo esterno può essere adattato allo spazio disponibile.
In una macchina, per esempio, il mantello potrebbe dover entrare in un volume irregolare fra altri componenti. Una soluzione basata su gusci concentrici standard avrebbe possibilità limitate.
Il metodo permette invece di sviluppare strutture termiche free-form, cioè non vincolate a geometrie elementari.
I ricercatori hanno esplorato anche configurazioni con forme simili a volti umani. In una dimostrazione numerica, il contorno interno rappresenta un volto maschile con occhiali, mentre le superfici esterne assumono due differenti profili facciali sui lati opposti.
Questi esempi servono a dimostrare la capacità del metodo di gestire superfici caratterizzate da dettagli, sporgenze e curvature locali.
L’impiego delle armoniche sferiche
Per descrivere forme molto complesse, il gruppo ha integrato la de-omogeneizzazione con le armoniche sferiche.
Le armoniche sferiche possono essere considerate un equivalente tridimensionale della trasformata di Fourier applicata a superfici simili a una sfera.
Una forma complessa può essere rappresentata come combinazione di funzioni più semplici. Aumentando il numero di termini è possibile descrivere dettagli sempre più piccoli.
Questo metodo aiuta a trasformare geometrie articolate in descrizioni matematiche adatte al calcolo del mantello.
L’obiettivo non è riprodurre una forma per ragioni estetiche, ma dimostrare che il sistema può seguire confini difficili senza perdere la continuità della struttura interna.
Possibili applicazioni nella gestione termica
Il controllo del calore è un problema centrale in molti settori industriali.
Nei dispositivi elettronici, alcuni componenti devono essere protetti dalle sorgenti vicine senza impedire la dissipazione complessiva.
Nelle batterie, il calore deve essere distribuito evitando concentrazioni locali che possono accelerare il degrado delle celle.
Nel settore aerospaziale, sensori ed elettronica possono essere installati vicino a motori, scarichi e circuiti ad alta temperatura.
Nelle apparecchiature scientifiche, un elemento sensibile può dover funzionare all’interno di un ambiente soggetto a gradienti termici.
Un metamateriale progettato per deviare la conduzione potrebbe essere utilizzato per:
- proteggere sensori sensibili;
- isolare termicamente una zona senza creare una forte perturbazione esterna;
- guidare il calore verso un dissipatore;
- evitare punti caldi;
- separare termicamente componenti vicini;
- controllare la distribuzione della temperatura in sistemi elettronici;
- migliorare la stabilità di strumenti di misura;
- proteggere piccoli volumi in ambienti ad alta temperatura.
Non tutte queste applicazioni sono state dimostrate nello studio. Rappresentano possibili direzioni di sviluppo basate sul principio sperimentato.
Dal mantello al concentratore di calore
La stessa logica non deve essere utilizzata soltanto per nascondere un oggetto.
Modificando il campo di conducibilità si possono progettare dispositivi capaci di concentrare il calore in una regione, ruotarne il percorso o distribuirlo secondo schemi prestabiliti.
Il gruppo di Xiaojia Shelly Zhang aveva già lavorato su mantelli, rotatori e concentratori termici con geometrie complesse realizzati attraverso stampa 3D metallica.
Il nuovo studio estende queste capacità allo spazio tridimensionale e a forme libere.
Un concentratore potrebbe raccogliere il flusso proveniente da una zona ampia e convogliarlo verso un volume più piccolo. Un rotatore potrebbe cambiare l’orientamento del gradiente termico.
Questi dispositivi potrebbero diventare strumenti passivi per la gestione termica: una volta prodotti, non avrebbero necessariamente bisogno di sensori, elettronica o alimentazione per modificare il percorso del calore.
Il comportamento sarebbe incorporato nella geometria.
Le applicazioni oltre la conduzione termica
Le equazioni utilizzate per descrivere la conduzione del calore sono simili a quelle impiegate per altri fenomeni diffusivi.
Per questo motivo, i ricercatori ritengono che il metodo possa essere adattato anche alla conduzione elettrica e al flusso di pressione.
Una struttura progettata con criteri analoghi potrebbe teoricamente guidare la corrente attorno a una zona protetta, controllare la diffusione di sostanze o modificare il percorso di un flusso in un mezzo poroso.
Il principio generale consiste nel trasformare una distribuzione matematica di proprietà in una microstruttura fisica.
La produzione additiva svolge il ruolo di collegamento fra il modello e il dispositivo.
I limiti da superare
Il mantello è ancora un dimostratore di laboratorio.
Per arrivare a un impiego industriale dovranno essere affrontati diversi problemi.
Il primo riguarda le dimensioni. Strutture più grandi richiederebbero tempi di stampa, quantità di materiale e attrezzature adeguate.
Il secondo riguarda la risoluzione. Se la geometria contiene elementi troppo piccoli, il processo additivo potrebbe non riprodurli con sufficiente precisione.
Un altro aspetto è la resistenza termica alle interfacce. Nel composito esistono zone di contatto fra alluminio, PDMS e materiale di fondo. Se le interfacce non aderiscono correttamente, possono introdurre resistenze non previste dal modello.
Anche il campo di temperatura operativo è limitato dai materiali scelti. L’alluminio può sopportare temperature elevate, mentre i siliconi presentano intervalli di utilizzo più ristretti.
Per applicazioni ad alta temperatura potrebbe essere necessario utilizzare ceramiche, leghe differenti o materiali refrattari.
La risposta transitoria rappresenta un altro punto da approfondire. Gli esperimenti osservano soprattutto il modo in cui si stabilisce la distribuzione termica. In molte applicazioni reali il calore cambia rapidamente e il tempo necessario al mantello per raggiungere il comportamento previsto può essere rilevante.
Devono inoltre essere valutati:
- durata del composito;
- cicli ripetuti di riscaldamento e raffreddamento;
- dilatazioni termiche differenti;
- possibili distacchi fra i materiali;
- ripetibilità della produzione;
- costi di post-processing;
- ispezione delle strutture interne.
Il ruolo della stampa 3D nello studio
La produzione additiva non è stata utilizzata soltanto per rendere più scenografico il prototipo.
La geometria interna del mantello sarebbe molto difficile da realizzare con lavorazioni convenzionali.
Il reticolo cambia orientamento e sezione in tutto il volume. Non è formato da una ripetizione uniforme della stessa cella e non può essere ottenuto semplicemente sovrapponendo strati piani identici.
La stampa 3D permette di trasferire nel componente le proprietà locali calcolate dal modello.
In questo caso la personalizzazione geometrica coincide con la funzione fisica: cambiare la forma del reticolo significa cambiare il modo in cui il calore attraversa il materiale.
È uno degli ambiti nei quali la produzione additiva mostra un vantaggio più profondo rispetto alla sola riduzione del numero di pezzi.
Il valore non risiede soltanto nella possibilità di costruire una forma complicata, ma nella capacità di programmare il comportamento del materiale attraverso la struttura.
Un materiale che non esiste senza il processo produttivo
Un blocco omogeneo di alluminio non avrebbe le proprietà del mantello. Nemmeno un blocco di PDMS potrebbe deviare il calore nel modo richiesto.
Il comportamento emerge soltanto dalla combinazione dei due materiali e dalla disposizione tridimensionale del reticolo.
La forma non rappresenta quindi il contenitore della funzione, ma la funzione stessa.
Questa distinzione è alla base dei materiali architettati e dei metamateriali prodotti con tecniche additive.
In una progettazione convenzionale il progettista seleziona un materiale da un catalogo e definisce la geometria del componente.
In un metamateriale può progettare contemporaneamente:
- la forma esterna;
- la microstruttura;
- la distribuzione dei materiali;
- le proprietà locali;
- il comportamento globale.
Il nuovo mantello termico mostra come questo approccio possa essere applicato alla conduzione tridimensionale.
Il sostegno alla ricerca
Gli esperimenti sono stati condotti in parte presso l’Advanced Materials Testing and Evaluation Laboratory del Materials Research Laboratory della University of Illinois.
Il progetto ha ricevuto sostegno dalla U.S. National Science Foundation, attraverso un CAREER Award e un ulteriore finanziamento, dalla fondazione danese Villum Fonden e dall’Air Force Office of Scientific Research.
Il coinvolgimento dell’Air Force Office of Scientific Research non significa che il dispositivo sia già destinato a un sistema militare specifico. Indica però l’interesse verso materiali capaci di controllare il calore, una funzione rilevante per elettronica, sistemi aerospaziali, sensori e gestione delle firme termiche.
Un passo verso componenti con comportamento programmato
Il risultato più importante dello studio non è la possibilità di nascondere una mela dentro una pera.
Quella dimostrazione serve a rendere visibile un concetto più ampio: una struttura stampata in 3D può essere progettata per far assumere al calore un percorso prestabilito anche all’interno di geometrie irregolari.
Il dispositivo non è ancora un prodotto pronto per il mercato e non rende invisibili persone o veicoli. Mostra però una strada concreta per realizzare metamateriali termici tridimensionali con forme adattabili all’applicazione.
La combinazione fra modelli matematici, de-omogeneizzazione, materiali con conducibilità molto diversa e stampa 3D metallica permette di passare da proprietà teoriche a strutture fisiche connesse e fabbricabili.
Per la produzione additiva è un esempio significativo di come il progetto possa spostarsi dalla geometria esterna alle proprietà interne del componente.
La stampa 3D non costruisce soltanto il mantello: costruisce il percorso che il calore sarà costretto a seguire.
