Materiali Magici: Silenzio e Resistenza con i Metamateriali a Rapporto di Poisson Negativo!

Ciao a tutti! Oggi voglio parlarvi di qualcosa che sembra uscito da un film di fantascienza, ma è scienza purissima e super affascinante: i metamateriali. Avete mai sentito nominare? Pensate a materiali progettati dall’uomo, non trovati in natura, con proprietà quasi magiche, ottenute non tanto dalla loro composizione chimica, quanto dalla loro struttura interna, disegnata con precisione millimetrica.

Questi “materiali del futuro” stanno aprendo porte incredibili in tantissimi campi: comunicazioni, imaging medico, assorbimento di suoni o energia, capacità di sopportare carichi enormi, riduzione delle vibrazioni e persino mantelli dell’invisibilità (sì, avete letto bene!). È un mondo in continua espansione, dove l’ingegneria incontra la fisica e la chimica per creare cose mai viste prima.

La Sfida: Combinare Superpoteri

Il bello (e il difficile) è che spesso, nel mondo reale, non basta una sola super-proprietà. Pensate ai componenti di un sottomarino: devono essere silenziosissimi (per non farsi scoprire) ma anche super resistenti. O a parti di un aereo: leggere, resistenti e capaci di smorzare le vibrazioni. La vera sfida è creare materiali multifunzionali, capaci di eccellere in più discipline contemporaneamente.

Ed è qui che entra in gioco la ricerca di cui vi parlo oggi. Ci siamo concentrati su due capacità fondamentali, specialmente in ingegneria:

• Riduzione delle vibrazioni: Fondamentale per comfort, sicurezza e durata dei componenti.
• Assorbimento di energia: Cruciale per la protezione dagli impatti.

Come integrare queste due funzioni in un unico materiale? La risposta potrebbe trovarsi in una categoria speciale di metamateriali: quelli con rapporto di Poisson negativo (NPM – Negative Poisson’s Ratio Metamaterials).

Cosa Diavolo è il Rapporto di Poisson Negativo?

Ok, detta così sembra complicato, ma l’idea è semplice e controintuitiva. Immaginate di tirare un elastico: mentre si allunga, si assottiglia al centro, giusto? Questo è il comportamento “normale”, con un rapporto di Poisson positivo. Ora, immaginate un materiale che, quando lo tirate, invece di assottigliarsi… si allarga al centro! E se lo comprimete, si restringe anche lateralmente. Questi sono i materiali auxetici, o a rapporto di Poisson negativo. Hanno proprietà meccaniche uniche, tra cui una buona capacità di assorbire energia.

Il problema? Creare in questi materiali delle “zone proibite” per le vibrazioni (i cosiddetti bandgap), specialmente a basse frequenze, non è affatto facile. Le vibrazioni a bassa frequenza sono subdole, difficili da eliminare e molto comuni (pensate al rombo di un motore, o alle vibrazioni di un ponte). I metodi tradizionali per creare bandgap spesso funzionano bene solo ad alte frequenze o richiedono strutture molto grandi.

L’Ingrediente Segreto: Aggiungere Massa!

Ecco l’idea che abbiamo esplorato: e se modificassimo la struttura interna di questi NPM aggiungendo delle piccole “masse”? Abbiamo preso una struttura a nido d’ape concava (che già di per sé ha un rapporto di Poisson negativo) e abbiamo attaccato dei piccoli blocchetti di materiale (le nostre “masse aggiunte”) su alcune pareti della cella elementare.

Perché farlo? L’idea si basa sul concetto di risonanza locale. Immaginate la struttura come un insieme di molle e masse. Aggiungendo queste masse extra nei punti giusti, creiamo dei piccoli sistemi risonanti all’interno del materiale. Quando un’onda vibratoria con una certa frequenza attraversa il materiale, queste masse iniziano a oscillare “fuori fase”, assorbendo l’energia dell’onda e impedendole di propagarsi. È come creare delle trappole microscopiche per le vibrazioni!

Il bello è che questo meccanismo di risonanza locale è particolarmente efficace proprio per creare bandgap a basse frequenze, anche con strutture relativamente piccole (subwavelength, dicono i tecnici). E non solo: le simulazioni al computer ci hanno mostrato che, cambiando la forma e la dimensione di queste masse aggiunte (in particolare un parametro geometrico che abbiamo chiamato α, l’angolo alla base del blocchetto a forma di triangolo isoscele), potevamo non solo creare nuovi bandgap a bassa frequenza, ma anche allargarli notevolmente! Un bandgap più ampio significa che il materiale è efficace contro una gamma più vasta di frequenze vibratorie.

Dalla Teoria alla Pratica: Test e Conferme

Ovviamente, le simulazioni sono belle, ma la prova del nove è l’esperimento reale. Abbiamo quindi usato la stampa 3D per fabbricare dei campioni di questi nuovi NPM, utilizzando un materiale flessibile chiamato TPU (poliuretano termoplastico). Abbiamo costruito campioni con diverse geometrie (variando l’angolo α da 10° a 40°) e li abbiamo messi alla prova.

Prima di tutto, abbiamo misurato le proprietà meccaniche del TPU stampato, per essere sicuri che i dati usati nelle simulazioni fossero accurati. Poi, abbiamo sottoposto i campioni a test di vibrazione. Abbiamo usato uno shaker per generare vibrazioni a diverse frequenze e degli accelerometri per misurare quanto la vibrazione veniva trasmessa attraverso il materiale.

I risultati? Fantastici! Le curve di trasmissione sperimentali corrispondevano molto bene ai bandgap previsti dalle simulazioni. Abbiamo visto chiaramente delle “valli” profonde nelle curve di trasmissione proprio alle frequenze dove le simulazioni prevedevano i bandgap. Ad esempio, per α = 40°, abbiamo trovato un bandgap simulato molto ampio (da 1557 Hz a 3147 Hz) e sperimentalmente abbiamo misurato un’attenuazione fortissima in quella zona, con picchi di riduzione del segnale fino a -52.80 dB! Questo conferma che la nostra idea di aggiungere massa funziona davvero per bloccare le vibrazioni a bassa/media frequenza.

Analizzando le “modalità vibrazionali” (cioè come la struttura si deforma a specifiche frequenze) nelle simulazioni, abbiamo confermato che il meccanismo alla base di questi bandgap era proprio la risonanza locale: le pareti orizzontali con le masse aggiunte si comportavano come masse, mentre le pareti inclinate agivano come molle. Aumentando l’angolo α, aumentava la rigidità del sistema e la massa effettiva, spostando e allargando il bandgap.

Non Solo Vibrazioni: E l’Assorbimento di Energia?

Ok, abbiamo un materiale che smorza bene le vibrazioni. Ma ricordate? Volevamo la multifunzionalità! Come si comporta questo NPM quando viene schiacciato? Resiste? Assorbe l’urto?

Abbiamo eseguito test di compressione quasi-statica (cioè schiacciando i campioni molto lentamente) sia sperimentalmente, usando una macchina universale, sia con simulazioni al computer (usando il software Abaqus). Abbiamo osservato come si deformavano i campioni e misurato la forza necessaria per comprimerli.

Come previsto dalle strutture a rapporto di Poisson negativo, i nostri campioni mostravano la tipica deformazione a “V” delle celle. Abbiamo anche verificato che il rapporto di Poisson era effettivamente negativo e dipendeva dall’angolo α (valori da -0.69 per α=10° a -0.41 per α=40°).

Per valutare l’assorbimento di energia, abbiamo calcolato un parametro chiamato SEA (Specific Energy Absorption), che misura quanta energia viene assorbita per unità di massa del materiale. Qui abbiamo notato una cosa interessante: mentre aumentare l’angolo α migliorava l’ampiezza del bandgap per le vibrazioni, tendeva a ridurre leggermente la SEA a parità di deformazione. Questo perché con α più grande, la struttura diventa più rigida e si “compatta” prima, mostrando una fase di stress costante (plateau stress), ideale per l’assorbimento di energia, meno pronunciata. Sembrava un compromesso: o ottime prestazioni vibrazionali (α grande) o ottimo assorbimento di energia (α piccolo).

La Soluzione “Gradiente”: Il Meglio dei Due Mondi?

E se potessimo avere entrambi? Qui entra in gioco un’altra strategia potente nel mondo dei metamateriali: le strutture a gradiente funzionale (Functionally Graded Structures). L’idea è semplice: invece di fare tutto il materiale con la stessa geometria (stesso α), perché non farlo a strati, dove ogni strato ha un α diverso?

Abbiamo progettato e stampato un campione “a gradiente”, composto da 6 strati sovrapposti, con l’angolo α che variava gradualmente da 0° nello strato superiore a 40° in quello inferiore. La nostra ipotesi era che questa struttura potesse combinare i bandgap associati ai diversi valori di α, creando così una zona di attenuazione delle vibrazioni molto ampia (a banda larga) e coprendo anche le frequenze più basse.

I test di vibrazione sul campione a gradiente hanno confermato le nostre speranze! La curva di trasmissione mostrava una valle di attenuazione larghissima, estesa da circa 250 Hz fino a 3000 Hz, molto più ampia di quella ottenuta con campioni uniformi (non-gradient). Missione compiuta per le vibrazioni a banda larga e bassa frequenza!

E l’assorbimento di energia? Abbiamo compresso anche il campione a gradiente. Osservando la deformazione, abbiamo visto che i primi strati (con α piccolo) si comprimevano per primi, mostrando la deformazione a “V” e contribuendo all’assorbimento di energia iniziale. Poi, man mano che la compressione aumentava, entravano in gioco gli strati più rigidi (con α grande). Il risultato? La curva sforzo-deformazione del materiale a gradiente era molto interessante: all’inizio si comportava come il materiale con α piccolo (buon assorbimento), ma poi continuava ad assorbire energia anche a deformazioni maggiori, superando le prestazioni dei campioni uniformi con α piccolo a deformazioni elevate. In pratica, la struttura a gradiente riusciva a combinare i vantaggi dei diversi strati!

Conclusioni (Entusiastiche!)

Quindi, cosa abbiamo imparato? Che aggiungendo strategicamente delle piccole masse a metamateriali con rapporto di Poisson negativo, possiamo migliorare drasticamente la loro capacità di bloccare le vibrazioni a bassa frequenza e su una banda più larga. Questo grazie al fenomeno della risonanza locale.

Inoltre, abbiamo visto che esiste un legame tra la geometria (il nostro angolo α) e le prestazioni sia vibrazionali che di assorbimento di energia. E, cosa più importante, abbiamo dimostrato che usando un approccio a gradiente funzionale, possiamo progettare materiali che eccellono in entrambe le funzioni contemporaneamente: silenziosi su un’ampia gamma di frequenze e capaci di assorbire impatti.

Questa ricerca apre la strada alla progettazione di nuovi materiali multifunzionali su misura per applicazioni ingegneristiche complesse, dove leggerezza, resistenza, silenziosità e capacità di assorbire energia sono tutte richieste. La libertà di progettazione offerta dai metamateriali è davvero enorme e credo che ne vedremo delle belle nei prossimi anni!

Fonte: Springer