Preferiresti sbattere contro un muro di mattoni o contro un materasso? La maggior parte delle persone troverà questa decisione semplice. La rigidità del muro di mattoni non smorza efficacemente urti o vibrazioni, mentre il materasso, con la sua morbidezza, funge da ottimo ammortizzatore di tali urti. È interessante notare che, nel campo della progettazione dei materiali, entrambe le proprietà possono essere desiderabili.

I materiali devono essere in grado di dissipare le vibrazioni, mantenendo allo stesso tempo una rigidità sufficiente per evitare il collasso sotto forte stress. Un team di ricercatori dell’UvA Institute of Physics ha ora trovato un modo per progettare materiali che consentano loro di fare entrambe queste cose.

Le due descrizioni particolari della materia di solito si escludono a vicenda: o una cosa può essere solida o può assorbire molto bene le vibrazioni, ma raramente è entrambe le cose. Tuttavia, se riusciamo a realizzare materiali rigidi e capaci di assorbire le vibrazioni, ci sarà un’intera gamma di potenziali applicazioni, dalla progettazione su scala nanometrica all’ingegneria aerospaziale.

Un campione di materiale elastomerico con un blocco in cima subisce eccitazione: prima a frequenze crescenti e poi a frequenze decrescenti. Quando sottoposto a un’eccitazione significativa, il campione si deforma. La torsione è più pronunciata con frequenza decrescente. Credito: Università di Amsterdam

La torsione fa il trucco

Un team di ricercatori dell’Università di Amsterdam ha trovato un modo per creare materiali che sono rigidi, ma sono ancora bravi ad assorbire le vibrazioni e, cosa più importante, possono rimanere estremamente leggeri.

David Dykstra, autore principale della pubblicazione, spiega: “Abbiamo scoperto che il trucco consisteva nell’utilizzare materiali sigillabili, come sottili pannelli di metallo. Quando vengono assemblati in modo intelligente, le costruzioni realizzate con questi pannelli attorcigliati diventano ottimi assorbitori di vibrazioni, ma a allo stesso tempo, mantengono molta della durezza del materiale di cui sono fatti, inoltre le tavole non devono essere molto spesse e quindi il materiale può essere mantenuto relativamente leggero.

La foto (all’inizio dell’articolo) mostra un esempio di un materiale che utilizza questa torsione della lamiera per incorporare tutte queste proprietà desiderabili.

Un campione di metamateriale con un blocco in cima subisce eccitazione: prima a frequenze crescenti e poi a frequenze decrescenti. Quando sottoposto a un’eccitazione significativa, il campione si deforma. La torsione è più pronunciata con frequenza decrescente. Credito: Università di Amsterdam

insieme di applicazioni

I ricercatori hanno studiato a fondo le proprietà di questi materiali attorcigliati e hanno scoperto che tutti presentano questa magica combinazione di rigidità e capacità di dissipare le vibrazioni. Poiché i materiali noti non hanno questa combinazione richiesta di proprietà, i nuovi materiali realizzati in laboratorio (o[{” attribute=””>metamaterials) have a very wide range of potential applications, and at a very wide range of scales.

Possible uses range from meter-sized (think of aerospace, automotive applications, and many other civil designs) to the microscale (applications such as microscopes or nanolithography).

Dykstra: “Humans like to build things – small things and big things – and we almost always want these structures to be light. If that can be done with materials that are both stiff and good at shock-absorbing, many existing designs can be improved and many new designs become possible. There really is no end to the possible applications!”

Reference: “Buckling Metamaterials for Extreme Vibration Damping” by David M.J. Dykstra, Coen Lenting, Alexandre Masurier and Corentin Coulais, 18 May 2023, Advanced Materials.
DOI: 10.1002/adma.202301747