Le “schwarzite” porose stampate in 3D sono resistenti e leggerd, potrebbero formare interi edifici
Gli ingegneri della Rice University e della Brazil’s University of Campinas hanno creato delle schwarzite stampate in 3D – strutture matematiche che prendono il nome dal loro creatore Hermann Schwarz – con complesse geometrie curve. I ricercatori prevedono che gli edifici vengano realizzati con le strutture stampate in 3D.
Se avete bisogno di una dimostrazione di come la stampa 3D abbia radicalmente cambiato la scienza e l’ingegneria, non cercate oltre questi schwarzite stampate in 3D sviluppate presso la Rice University. Le Schwarzite, strutture reticolari con curvatura Gaussiana negativa, furono inizialmente ipotizzate nel 1880 dallo scienziato tedesco Hermann Schwarz. Ma fino agli albori della stampa 3D, non esistevano mezzi reali per trasformare le strutture complesse in realtà.
Le schwarziti stampate in 3D sviluppate dagli ingegneri della Rice e dall’università brasiliana di Campinas sono state progettate con algoritmi computerizzati prima di essere trasformate in modelli polimerici tangibili. Il risultato è una struttura in plastica resistente ma comprimibile che potrebbe essere utilizzata per realizzare dispositivi elettronici su scala nanometrica, catalizzatori, setacci molecolari e componenti per batterie, oltre a strutture molto più grandi come edifici e aeroplani.
Tuttavia, prima che potesse iniziare qualsiasi stampa 3D, gli ingegneri che lavoravano al progetto schwarzite dovevano escogitare un modo per realizzarle. Quel lavoro era responsabilità dello scienziato dei materiali Pulickel Ajayan e dei ricercatori dell’università di Campinas a San Paolo, che hanno effettuato simulazioni di dinamica molecolare per esaminare più da vicino la costruzione dal basso verso l’alto delle schwarzite e scoprire quali forme avrebbero funzionato meglio.
“Le geometrie di queste sono davvero complesse”, ha commentato Chandra Sekhar Tiwary, ricercatore postdoctorale della Rice: “Tutto è curvo, le superfici interne hanno una curvatura negativa e le morfologie sono molto interessanti.” Le strutture di Schwarzite sono molto simili. ”
Mentre gli ingegneri hanno solo tentato di stampare in 3D strutture primitive e gyroide, che hanno superfici periodiche minime, il team pensa che le strutture stampate in 3D potrebbero avere usi molto pratici a causa della loro forza e di altre proprietà meccaniche desiderabili.
“La teoria mostra che a livello atomico, questi materiali possono essere molto forti”, ha detto Tiwary. “Si scopre che rendere la geometria più grande con il polimero ci dà un materiale con un’elevata capacità portante.”
Le caratteristiche di deformazione delle schwarzite stampate in 3D erano anche a favore dei ricercatori, con Tiwary che notava come le strutture “sono belle perché se applicate la forza su un lato, si deformano lentamente, strato per strato”.
Questo, ritengono gli ingegneri, sarebbe una caratteristica estremamente preziosa, per esempio, di un edificio, e le schwarzite stampate in 3D potrebbero essere stampate su una scala molto più ampia per creare edifici a grandezza naturale con pareti di pietra che sarebbero al sicuro anche in condizioni meteorologiche estreme , per esempio.
In effetti, i ricercatori sono stati leggermente sorpresi dal modo in cui le loro schwarzitesi sono comportate: durante le prove (sia delle simulazioni al computer che dei modelli stampati in 3D), sia le strutture primitive che quelle gyrootiche hanno trasferito carichi attraverso l’intera geometria della struttura, indipendentemente da quale lato fosse compresso.
“È un po ‘sorprendente che alcune caratteristiche su scala atomica si siano conservate nelle strutture stampate”, ha detto Douglas Galvão, professore all’Università di Campinas. “Abbiamo discusso che sarebbe bello se potessimo tradurre i modelli atomici di schwarzite in strutture stampate in 3D. Dopo alcuni tentativi, ha funzionato abbastanza bene. ”
Ma questo non significa che le schwarzite stampate in 3D potrebbero potenzialmente funzionare ancora meglio. I ricercatori ora progettano di aggiornare le loro stampanti 3D a più macchine ad alta risoluzione al fine di produrre delle schwarziti più efficaci che siano più leggere e che potrebbero anche essere realizzate con materiali ceramici e metallici.
“Non c’è motivo per cui questi blocchi debbano essere”, ha detto il dottor Rice Owuor. “Fondamentalmente realizziamo cristalli perfetti che iniziano con una singola cellula che possiamo replicare in tutte le direzioni”.
Lo studio dei ricercatori, “Multiscale Geometric Design Principles Applied to 3D Printed Schwarzites,”, è stato pubblicato su Advanced Materials .
