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Nov 27, 2023

Una combinazione magica

By University of AmsterdamJune 5, 2023 A buckled material that is both stiff and

Dall'Università di Amsterdam5 giugno 2023

Un materiale deformato che è allo stesso tempo rigido e capace di assorbire le vibrazioni. Credito: D. Dykstra et al.

Preferiresti sbattere contro un muro di mattoni o contro un materasso? La maggior parte delle persone troverebbe questa decisione semplice. La durezza di un muro di mattoni non smorza efficacemente urti o vibrazioni, mentre un materasso, con la sua morbidezza, funge da ottimo assorbitore di tali urti. È interessante notare che nel campo del material design entrambe queste caratteristiche possono essere desiderate.

I materiali devono essere in grado di dissipare le vibrazioni, ma allo stesso tempo mantenere una rigidità sufficiente per evitare il collasso sotto una pressione significativa. Un team di ricercatori dell’Istituto di fisica UvA ha ora trovato un modo per progettare materiali che riescano a fare entrambe le cose.

Di solito, le due caratterizzazioni di un materiale si escludono a vicenda: qualcosa è rigido oppure può assorbire bene le vibrazioni, ma raramente entrambe le cose. Tuttavia, se potessimo realizzare materiali che siano rigidi e adatti ad assorbire le vibrazioni, ci sarebbero tutta una serie di potenziali applicazioni, dalla progettazione su scala nanometrica all’ingegneria aerospaziale.

Un campione di metamateriale in gomma, sormontato da una massa, viene sottoposto ad eccitazioni: prima con frequenze crescenti e poi con frequenza decrescente. Quando sottoposto ad una grande eccitazione, il campione si deforma. L'instabilità è più pronunciata con una frequenza decrescente. Credito: Università di Amsterdam

Un team di ricercatori dell’Università di Amsterdam ha ora trovato un modo per creare materiali rigidi, ma comunque in grado di assorbire le vibrazioni e, cosa altrettanto importante, che possano essere mantenuti molto leggeri.

David Dykstra, autore principale della pubblicazione, spiega: "Abbiamo scoperto che il trucco era usare materiali che si deformano, come sottili lamiere di metallo. Se assemblate in modo intelligente, le costruzioni realizzate con tali fogli deformati diventano grandi assorbitori di vibrazioni - ma allo stesso tempo conservano molta della rigidità del materiale di cui sono composte. Inoltre non è necessario che le lastre siano molto spesse e quindi il materiale può mantenersi relativamente leggero."

L'immagine (all'inizio dell'articolo) mostra un esempio di un materiale che sfrutta l'instabilità delle lamiere per combinare tutte queste proprietà desiderate.

Un campione di metamateriale metallico sormontato da una massa viene sottoposto ad eccitazioni: prima con frequenze crescenti e poi con frequenza decrescente. Quando sottoposto ad una grande eccitazione, il campione si deforma. L'instabilità è più pronunciata con una frequenza decrescente. Credito: Università di Amsterdam

The researchers thoroughly investigated the properties of these buckled materials and found that they all showed this magical combination of stiffness and the ability to dissipate vibrations. As known materials do not have this desired combination of properties, the new lab-made materials (or metamaterialsMetamaterials are engineered materials that have properties not usually found in nature." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">metamateriali) hanno una gamma molto ampia di potenziali applicazioni e su una gamma molto ampia di scale.

I possibili usi vanno dalle dimensioni del metro (si pensi alle applicazioni aerospaziali, automobilistiche e molti altri progetti civili) alla microscala (applicazioni come microscopi o nanolitografia).

Dykstra: "Agli esseri umani piace costruire cose - piccole e grandi cose - e quasi sempre vogliamo che queste strutture siano leggere. Se ciò può essere fatto con materiali che siano rigidi e adatti ad assorbire gli urti, molti progetti esistenti possono essere migliorati e molti nuovi progetti diventano possibili. Non c'è davvero fine alle possibili applicazioni!"

Riferimento: "Buckling Metamaterials for Extreme Vibration Damping" di David MJ Dykstra, Coen Lenting, Alexandre Masurier e Corentin Coulais, 18 maggio 2023, Advanced Materials.DOI: 10.1002/adma.202301747