Le sfide nella progettazione dei metamateriali
I metamateriali sono materiali sintetici caratterizzati da strutture interne microscopiche che conferiscono loro proprietà non presenti nei materiali convenzionali. Per lungo tempo l’obiettivo principale è stato quello di aumentare rigidità e resistenza, ma questo ha comportato una limitazione della flessibilità: un materiale più rigido tende a rompersi anziché deformarsi.
Un’architettura a doppia rete
Il gruppo di ingegneri del MIT ha superato questo compromesso costruendo un metamateriale che integra due microstrutture distinte, entrambe realizzate con un polimero simile al plexiglass. La prima rete è costituita da un’impalcatura di sottili aste rigide, mentre la seconda si sviluppa come un intreccio di spirali attorno a ciascuna asta. Questo “doppio network” fonde la solidità della griglia portante con l’elasticità della maglia avvolgente, producendo un materiale capace di allungarsi fino a quattro volte la propria lunghezza senza spezzarsi.
Tecnica di stampa ad alta precisione
Per dare forma a questa complessa geometria, i ricercatori hanno sfruttato la litografia a due fotoni, un processo laser che polimerizza il materiale punto per punto con risoluzione sub-micrometrica. I campioni creati misurano da pochi micron fino a qualche millimetro di lato e riproducono fedelmente sia la maglia a traliccio sia l’intreccio a spirale.
Metodologia dei test meccanici
Le prove di trazione sono state effettuate su un dispositivo nanomeccanico che fissa gli estremi del campione e misura la forza necessaria per stenderlo. I video ad alta risoluzione hanno permesso di osservare come, in presenza di un solco o piccola frattura, le spirali si avvolgono attorno agli sbalzi di rottura delle aste, dissipando l’energia e impedendo che la crepa si propaghi in modo lineare. Inserendo volutamente minuscoli fori nel reticolo, il team ha poi raddoppiato l’allungamento massimo e triplicato la capacità di assorbimento dell’energia di rottura.
Ispirazione dalle idrogel
L’idea di combinare due reti con caratteristiche opposte deriva dallo studio degli idrogel, materiali morbidi e altamente deformabili che inglobano grandi quantità di acqua. In questi sistemi, una rete molecolare rigida viene chimicamente interlacciata con una seconda rete più flessibile, ottenendo una struttura capace di resistere a strappi improvvisi. Trasferire questo concetto alla scala dei metamateriali ha richiesto un’architettura ingegnerizzata, ma ha conferito al campione proprietà uniche.
Modello di simulazione e progettazione
Parallelamente alle sperimentazioni sperimentali, il gruppo ha sviluppato un framework di calcolo che prevede il comportamento meccanico al variare del disegno delle reti e delle dimensioni dei “difetti”. Questo strumento fornisce una guida progettuale per ottimizzare la geometria in funzione dell’applicazione, consentendo di prevedere resistenza, elasticità e modalità di propagazione delle fratture prima di procedere alla stampa.
Possibili applicazioni estese
La combinazione di robustezza e deformabilità apre scenari applicativi in molti settori. Le fibre tessute con questo materiale potrebbero dare vita a tessuti resistenti agli strappi per abbigliamento tecnico o armature leggere. Nei componenti elettronici, semiconduttori flessibili e imballaggi per chip trarrebbero beneficio dalla capacità di assorbire urti senza danneggiarsi. In campo medico, la struttura a doppia rete potrebbe costituire supporti su cui coltivare cellule, mantenendo elasticità e integrità meccanica.
Verso nuovi materiali funzionali
Secondo i ricercatori, il design a rete rigida + rete elastica non è limitato ai polimeri. Applicando lo stesso principio a ceramiche, vetri o metalli, si potrebbero ottenere superfici deformabili dotate di conducibilità elettrica o sensibilità termica. La rete rigida garantirebbe la resistenza strutturale, mentre la matrice intrecciata reagirebbe alle sollecitazioni ambientali, permettendo la nascita di materiali “intelligenti” in grado di cambiare forma o proprietà al variare della temperatura.
Con questa sperimentazione, il team del MIT amplia l’orizzonte dei metamateriali, introducendo un approccio che supera il dualismo rigidità-flessibilità e offre nuove opportunità per progettare materiali che uniscono caratteristiche meccaniche apparentemente contrastanti.
