Nuovi materiali innovativi creati con la stampa 3D: versatilità e applicazioni future
Un gruppo di ricercatori del California Institute of Technology (Caltech), guidato da Chiara Daraio, ha sviluppato una nuova classe di materiali che non si possono classificare né come granulari né come cristallini. Questi materiali, definiti PAM (policatenati), possiedono la capacità di comportarsi come solidi o liquidi a seconda del tipo di carico a cui sono sottoposti. Realizzati utilizzando la stampa 3D, potrebbero essere utilizzati in ambiti come la robotica, la medicina e la produzione di abbigliamento protettivo.
Una struttura unica e un comportamento dinamico
Il processo di sviluppo dei PAM ha coinvolto diverse fasi di test, come spiega Wenjie Zhou, ricercatore post-dottorato in ingegneria meccanica e civile: “Abbiamo iniziato con prove di compressione, per poi proseguire con test di taglio laterale, simulando un’azione che avrebbe causato la rottura del materiale. Infine, abbiamo studiato le reazioni alla torsione, partendo da movimenti lenti fino ad arrivare a torsioni rapide e forti”. Questi materiali sono progettati per formare strutture complesse, simili alla cotta di maglia, ma con schemi tridimensionali intricati. La stampa 3D è stata utilizzata per combinarli con polimeri, metalli o altri materiali, creando una rete di anelli o gabbie che conferiscono al materiale diverse proprietà meccaniche, a seconda del carico applicato.
I test hanno rivelato che i PAM reagiscono come liquidi quando sottoposti a uno sforzo di taglio, poiché i componenti si muovono liberamente l’uno contro l’altro. Tuttavia, se sottoposti a pressione, il materiale si indurisce, comportandosi come un solido. “Immaginate di applicare uno stress di taglio all’acqua”, commenta Zhou. “L’acqua non avrebbe alcuna resistenza. Al contrario, grazie alla struttura dei PAM, che consente agli anelli e alle gabbie di scivolare l’uno contro l’altro come una catena, questi materiali offrono una resistenza al taglio molto bassa.”
Proprietà uniche e applicazioni future
Queste caratteristiche dinamiche rendono i PAM una categoria di materiali unica, che non può essere classificata nei gruppi tradizionali di materiali elastici o granulari. Grazie alla possibilità di progettare e adattare la forma, il collegamento e il materiale dei singoli componenti, è possibile modulare le proprietà di questi materiali in modo preciso. Ciò apre la porta a numerose applicazioni, come la realizzazione di caschi protettivi, attuatori per la tecnologia medica e sistemi di ammortizzazione.
Chiara Daraio, leader del progetto, sottolinea che, sebbene le applicazioni siano ancora in fase di esplorazione, i PAM mostrano un potenziale considerevole, in particolare per l’assorbimento dell’energia. “Grazie alla loro capacità di riorganizzarsi, ruotare e scorrere, questi materiali sono in grado di dissipare l’energia in modo molto efficiente,” spiega Daraio. Questo li rende particolarmente promettenti per applicazioni in cui sono necessari materiali che assorbano energia, come caschi o abbigliamento protettivo. Inoltre, le loro caratteristiche potrebbero essere ideali per l’uso negli imballaggi o in contesti che richiedano stabilizzazione o ammortizzazione.
L’intelligenza artificiale per esplorare nuove possibilità
Liuchi Li, coautore dello studio e attualmente assistente professore di ingegneria civile e ambientale presso l’Università di Princeton, esprime ottimismo riguardo al futuro dei PAM: “Immaginiamo di utilizzare l’intelligenza artificiale per esplorare nuove opportunità progettuali e accelerare lo sviluppo di questi materiali. Siamo solo all’inizio di ciò che è possibile fare.”
I risultati di questa ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Science. Daraio vede grandi opportunità nell’ulteriore perfezionamento dei PAM, in particolare attraverso l’uso dell’intelligenza artificiale per ottimizzare i processi di progettazione. Questo lavoro è stato sostenuto dal High-Performance Computing Center del Caltech e ha ricevuto finanziamenti dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dall’Ufficio di ricerca dell’Esercito. I risultati ottenuti segnano un passo significativo verso l’innovazione nei materiali e potrebbero avere un impatto importante sulle tecnologie del futuro.