Il ruolo del disordine nella resistenza dei materiali
Uno studio pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences Nexus da ricercatori della Penn Engineering, della University of Pennsylvania School of Arts & Sciences e dell’Università di Aarhus ha dimostrato che l’inserimento di un certo grado di disordine controllato nella struttura di alcuni materiali può aumentarne la resistenza alla frattura.
Questa ricerca apre nuove prospettive per lo sviluppo dei metamateriali meccanici, ossia materiali progettati con strutture geometriche precise che conferiscono proprietà meccaniche specifiche, realizzabili tramite stampa 3D. Uno dei principali limiti di questi materiali è la loro fragilità. “Modificando semplicemente la geometria interna, senza alterare la composizione del materiale, è possibile aumentare la resistenza di 2,6 volte”, spiega Kevin Turner, professore presso la Penn Engineering.
Lo studio è stato finanziato dalla National Science Foundation (NSF) attraverso il programma MRSEC, dedicato alla ricerca interdisciplinare nel campo della scienza dei materiali, dal National Defense Science & Engineering Graduate Fellowship Program e dalla Villum Foundation, un’organizzazione filantropica danese.
Analisi del disordine strutturale nei materiali
Il team di ricerca ha studiato l’influenza delle variazioni strutturali su scala microscopica, prendendo ispirazione da materiali naturali come ossa, madreperla e filamenti di cozze, caratterizzati da irregolarità minime che migliorano la loro resistenza. Per esplorare questo fenomeno, sono state effettuate simulazioni su reticoli triangolari con configurazioni sia simmetriche che variabili.
I test di laboratorio e le simulazioni hanno evidenziato che i campioni con le migliori prestazioni presentavano geometrie variate. “I materiali in cui la propagazione delle crepe risultava più difficile non seguivano schemi perfettamente regolari, ma mostravano variazioni distribuite in diverse aree”, afferma Sage Fulco, autore principale dello studio e ricercatore post-dottorato in Ingegneria Meccanica e Meccanica Applicata (MEAM).
I ricercatori hanno anche identificato un livello ottimale di disordine: un’eccessiva uniformità o, al contrario, una variazione troppo accentuata, riduceva l’efficacia strutturale. “Abbiamo riscontrato che il miglior equilibrio si ottiene quando il modello appare regolare ma non completamente simmetrico”, aggiunge Fulco.
Prospettive future e possibili applicazioni
Il gruppo di ricerca auspica che queste scoperte incoraggino ulteriori studi sull’uso di schemi disordinati nei metamateriali meccanici. La capacità di controllare la propagazione delle crepe e migliorare la resistenza ai danni potrebbe essere particolarmente utile in settori come l’aerospazio. “L’integrazione di materiali diversi e la progettazione su più scale geometriche offrono molte possibilità di sviluppo”, osserva Fulco.
Evoluzione della stampa 3D per migliorare la resistenza dei materiali
Negli ultimi anni, la stampa 3D ha sperimentato innovazioni mirate a incrementare la resistenza meccanica attraverso tecniche ispirate alla natura. Nel 2022, un gruppo di ricerca della Southern University of Science and Technology in Cina, in collaborazione con l’Università di Birmingham, la Hong Kong University of Science and Technology, il Peking University Shenzhen Hospital e il HKUST Shenzhen-Hong Kong Collaborative Innovation Research Institute, ha sviluppato compositi ceramici stampati in 3D con una maggiore tenacità. Utilizzando strutture ispirate alla mantide marina e la stampa 3D a elaborazione digitale della luce (DLP), il team ha superato le limitazioni dei metodi tradizionali come il templating a ghiaccio e la colata a freddo.
Parallelamente, i ricercatori della City University of Hong Kong hanno sviluppato un metodo per rendere i reticoli polimerici stampati in 3D fino a 100 volte più resistenti. La parziale carbonizzazione del materiale consente di migliorarne la resistenza e la duttilità, rendendo possibile la produzione di componenti durevoli per applicazioni mediche, come stent coronarici e impianti bioingegnerizzati. Questa tecnica offre una soluzione economicamente vantaggiosa e scalabile per la creazione di metamateriali meccanici leggeri, robusti e adattabili a diversi settori.
