Nuovo metamateriale meccanico con proprietà switchabili

I metamateriali meccanici sono materiali speciali progettati per avere proprietà uniche che non si trovano in natura. Sono composti da piccoli blocchi costruiti in modi specifici, che consentono loro di rispondere a forze e pressioni in modi insoliti. Un'area di interesse con questi materiali è la loro capacità di cambiare il modo in cui si comportano sotto stress, specialmente nel modo in cui si allungano o si comprimono. Questo è importante perché apre possibilità per creare materiali utilizzabili in varie applicazioni, dall'elettronica ai dispositivi medici.

Una delle proprietà chiave di un materiale è il suo rapporto di Poisson, che misura quanto un materiale si allunga in una direzione quando viene compresso in un'altra. Per la maggior parte dei materiali, quando li stringi, diventano più sottili. Tuttavia, alcuni materiali speciali possono effettivamente diventare più spessi quando vengono compressi. Questo è conosciuto come un Rapporto di Poisson negativo o comportamento auxetico. La capacità di controllare questa proprietà potrebbe portare a materiali avanzati per usi specifici, come attrezzature protettive o smorzatori di vibrazioni.

Questo articolo parla di un nuovo tipo di metamateriale meccanico che può passare tra diverse configurazioni, consentendogli di cambiare il proprio rapporto di Poisson e altre proprietà senza bisogno di essere ricostruito. Utilizzando un Campo Magnetico, è possibile controllare il materiale da remoto.

#L'importanza dei metamateriali meccanici

Negli ultimi anni, i materiali funzionali sono diventati vitali nella vita quotidiana. Sono utilizzati in molte industrie diverse, tra cui sanità, tecnologia e attrezzature sportive. I metamateriali meccanici rappresentano un'area promettente di ricerca perché possono essere progettati per mostrare proprietà meccaniche strane e utili basate sulla loro struttura piuttosto che sulla loro composizione materiale. Alcuni comportamenti chiave osservati in questi materiali includono:

• Rapporto di Poisson negativo (comportamento auxetico)
• Rigidità negativa
• Compressibilità negativa

I materiali auxetici, in particolare, si sono dimostrati migliori nell'assorbire energia e resistere a imbattersi rispetto ai materiali normali. Tuttavia, molti di questi materiali hanno un notevole svantaggio: una volta creati, è difficile cambiare le loro proprietà senza crearne una nuova versione. Questo limita il loro uso in applicazioni in cui i materiali devono adattarsi a diverse forze o condizioni.

Studi recenti hanno esplorato un nuovo tipo di metamateriale chiamato metamateriali meccanici attivi. Questi materiali possono cambiare le loro proprietà meccaniche in risposta a stimoli esterni, come calore o campi magnetici. Questa capacità apre la strada alla creazione di materiali che possono rispondere meglio alle esigenze di varie applicazioni.

#Metamateriali meccanici attivi

I metamateriali meccanici attivi possono cambiare il loro comportamento meccanico quando esposti a specifici trigger esterni. Questo può includere cambiamenti di temperatura, campi elettrici o campi magnetici. La sfida è raggiungere questo a piccola scala, dove le proprietà meccaniche possono essere molto più difficili da controllare.

In sistemi più grandi, i ricercatori hanno fatto progressi utilizzando materiali simili a magneti che reagiscono ai campi magnetici. Tuttavia, quando si tratta di materiali minuscoli, un metodo efficace è utilizzare nanoparticelle magnetiche mescolate in un materiale non magnetico. Un'altra tecnica prevede l'uso di diversi materiali con reazioni diverse al calore. Tuttavia, questo metodo spesso non produce un cambiamento abbastanza grande nelle proprietà meccaniche o può essere troppo lento nella risposta.

Un'altra possibilità entusiasmante è creare un singolo materiale che possa comunque cambiare le sue proprietà attraverso diversi schemi di stress. Questo è dimostrato nei metamateriali gerarchici, dove vari livelli della struttura possono deformarsi in modo indipendente.

Pur essendoci stati notevoli progressi nei metamateriali meccanici attivi, resta molto lavoro da fare per esplorare il loro pieno potenziale. Una questione chiave è che mentre alcune proprietà possono essere modificate, controllare più proprietà contemporaneamente rimane una sfida, particolarmente su scale più piccole dove la produzione diventa più complessa e costosa.

#Metamateriale meccanico proposto

Il metamateriale meccanico proposto è stato progettato per mostrare due configurazioni distinte, consentendo cambiamenti significativi nelle sue proprietà senza la necessità di ricostruzione. Il materiale può passare da una configurazione con un rapporto di Poisson altamente negativo a una con un rapporto di Poisson positivo. Questa capacità potrebbe aprire la strada a applicazioni innovative, in particolare in campi come la robotica e i dispositivi biomedici.

Il metamateriale consiste in una serie di elementi a forma di triangolo collegati in modi specifici. Due configurazioni sono indicate come Tipo A e Tipo B:

• Tipo A: Questa configurazione ha un comportamento auxetico forte, mostrando un rapporto di Poisson molto negativo. Quando viene compressa, si espande in larghezza invece di restringersi.
• Tipo B: Questa configurazione ha un design regolare con tutti i componenti che sono triangoli identici. Mostra un rapporto di Poisson positivo, comportandosi più come i materiali tradizionali.

L'obiettivo del design era creare un materiale che si comportasse in modo diverso sotto stress meccanico a seconda della sua configurazione. Il sistema è stato accuratamente progettato per consentire questi cambiamenti significativi anche mantenendo la stessa dimensione.

#Lavoro sperimentale

Per indagare le proprietà meccaniche di queste configurazioni, sono stati costruiti prototipi. Questi prototipi sono stati testati per valutare come gestivano la compressione. Durante questi test, il materiale è stato compresso da una superficie piatta mentre la parte inferiore era mantenuta ferma, osservando come reagiva la parte superiore.

Le due configurazioni hanno mostrato comportamenti molto diversi sotto compressione. I prototipi di Tipo A hanno mostrato che la larghezza diminuiva significativamente quando compressi, confermando la loro natura auxetica. Al contrario, i prototipi di Tipo B hanno iniziato ad espandersi sotto compressione prima di tornare alle loro dimensioni originali, indicando un rapporto di Poisson positivo.

I risultati sono stati registrati e analizzati usando metodi di correlazione di immagini digitali per stimare accuratamente i cambiamenti nelle dimensioni durante il test. Era cruciale garantire che l'ambiente di test fosse il più simile possibile alle applicazioni del mondo reale, il che ha comportato una considerazione attenta di fattori come attrito e forze esterne.

#Formazione di Gap Fononici

Un altro aspetto importante dei metamateriali meccanici è la loro capacità di controllare le caratteristiche di propagazione delle onde, conosciute come gap fononici. Questa proprietà è essenziale per progettare sensori e smorzatori di vibrazioni. Analizzando come il metamateriale proposto risponde a diverse configurazioni, i ricercatori possono ottenere informazioni su come influisce sul comportamento delle onde.

Man mano che il sistema passava attraverso diverse configurazioni, è diventato possibile osservare come il gap fononico cambiava. I risultati hanno indicato che anche se le proprietà del sistema cambiavano durante la riconfigurazione, il gap fononico rimaneva relativamente costante. Questa è una caratteristica desiderabile perché significa che il materiale può mantenere la sua capacità di gestire la propagazione delle onde anche quando le sue proprietà meccaniche vengono modificate.

#Controllo attivo delle proprietà

Per dimostrare come la riconfigurazione potrebbe essere controllata attivamente, sono stati condotti esperimenti utilizzando campi magnetici esterni. Un prototipo realizzato con la configurazione Tipo B è stato posizionato in un campo magnetico prodotto da elettromagneti. Questa configurazione è stata ottenuta incorporando piccoli magneti all'interno della struttura del materiale.

Quando il campo magnetico è stato applicato, il prototipo ha iniziato a cambiare configurazione da Tipo B a Tipo A. Questa transizione ha consentito un cambiamento significativo nel rapporto di Poisson senza la necessità di ricostruire il materiale. Dopo che il campo magnetico è stato spento, il materiale è tornato alla sua configurazione originale, dimostrando che il processo era reversibile.

Questa capacità di controllare le proprietà da remoto attraverso l'applicazione di un campo magnetico presenta un'opportunità entusiasmante per future applicazioni. Gli usi potenziali spaziano da materiali intelligenti che possono adattarsi a diversi stress a dispositivi protettivi che possono regolare dinamicamente la loro risposta agli impatti.

#Applicazioni Potenziali

Il metamateriale meccanico proposto ha implicazioni significative per vari campi. Per applicazioni macroscopiche, potrebbe essere utilizzato in attrezzature protettive attive, come paraurti per auto che regolano la loro durezza in risposta a potenziali collisioni. A livello microscopico, potrebbe portare allo sviluppo di dispositivi medici che rispondono a pressioni o condizioni specifiche.

Inoltre, l'uso di inclusioni magnetiche può consentire la progettazione di sistemi che mostrano rapporti di Poisson variabili in diverse parti del materiale. Questo potrebbe consentire complessi cambiamenti di forma quando vengono applicate forze o quando esposti a campi magnetici.

La capacità di controllare la propagazione delle onde attraverso gap fononici, mentre si regolano simultaneamente le proprietà meccaniche del materiale, presenta opportunità uniche per creare dispositivi multifunzionali. Questo potrebbe essere particolarmente utile nella progettazione di materiali smorzatori di vibrazioni per attrezzature sensibili o nella creazione di strutture reattive nella robotica programmabile.

#Conclusione

Lo sviluppo di questo nuovo metamateriale meccanico a micro scala offre possibilità entusiasmanti. Abilitando uno switch tra diverse configurazioni, consente cambiamenti significativi in proprietà come il rapporto di Poisson e il comportamento di propagazione delle onde senza necessità di ricostruzione. La capacità di ottenere questo controllo attraverso campi magnetici esterni apre la porta a numerose applicazioni in vari settori.

Nel complesso, la ricerca evidenzia il potenziale per creare materiali adattabili che possano rispondere ai cambiamenti ambientali o agli stimoli esterni. Man mano che la scienza continua a esplorare il campo dei metamateriali meccanici, innovazioni come queste potrebbero portare a straordinarie avanzamenti nella tecnologia e nell'ingegneria.