Un gruppo di ricercatori coordinato da scienziati del Caltech, ha realizzato una forma di materia che non è del tutto liquida né completamente solida, chiamata polycatenated architected materials (PAMs): materiali architettati policatenati che, semplificando molto, sono insiemi di anelli interconnessi organizzati come la trama di una corazza medievale.
Poiché questo materiale non è pienamente cristallino come un solido né interamente granulare come un liquido, riesce a conservare i vantaggi di entrambe le condizioni. In pratica, è capace di reagire a una gamma molto più ampia di sollecitazioni meccaniche. Le implicazioni potrebbero essere enormi: dai materiali protettivi, caschi, imbottiture e sistemi antiurto, fino alla robotica e ai dispositivi biomedicali. Lo studio che descrive questa nuova struttura ispirata alla chainmail è stato pubblicato sulla rivista Science.
«I PAM sono davvero un nuovo tipo di materia», ha spiegato Chiara Daraio, autrice senior dello studio e docente al Caltech, in un comunicato stampa. «Quando pensiamo ai materiali, tendiamo a distinguere nettamente tra solidi e materiali granulari. I solidi vengono spesso descritti come reticoli cristallini, mentre i materiali granulari sono composti da particelle discrete, libere di muoversi e scivolare le une rispetto alle altre».
Anche se la tecnologia dietro questi materiali è estremamente sofisticata, il loro aspetto ha qualcosa di quasi ludico, come un oggetto che verrebbe voglia di manipolare con le mani. I PAM possono assumere forme e dimensioni diverse; per questo studio, il team ha creato strutture simili a cubi e sfere del diametro di circa cinque centimetri.
Come nasce questo “nuovo stato” della materia
Per progettare i materiali, Daraio e il suo gruppo hanno iniziato da modelli digitali al computer, costruendo una struttura ispirata a un reticolo cristallino tradizionale. Ma al posto delle particelle fisse tipiche dei solidi, hanno inserito anelli intrecciati e gabbie geometriche multilaterali capaci di muoversi reciprocamente.
Una volta stampate in 3D utilizzando polimeri acrilici, metalli e nylon, le strutture sono state sottoposte a una lunga serie di test meccanici.
«Abbiamo iniziato con prove di compressione», racconta Wenjie Zhou, primo autore dello studio e ricercatore post-doc al Caltech. «Abbiamo progressivamente aumentato la forza applicata. Poi siamo passati alle sollecitazioni di taglio, cioè forze laterali, simili a quelle che si eserciterebbero tentando di strappare il materiale. Infine abbiamo eseguito test reologici, osservando come reagiva a torsioni sempre più intense e rapide».
Solido quando serve, liquido quando conviene
I risultati sono stati sorprendenti. Quando sottoposti a forze di taglio, i PAM si comportano in maniera simile a un liquido: la loro struttura intrecciata permette infatti agli elementi di scorrere e coordinarsi tra loro. Sotto compressione, però, il comportamento cambia radicalmente e il materiale reagisce più come un solido.
In altre parole, questi materiali sembrano capaci di adattarsi al tipo di stress a cui vengono sottoposti, alternando rigidità e flessibilità in modo dinamico.
Gli scienziati stanno appena iniziando a esplorare le possibili applicazioni concrete di questa tecnologia, ma una caratteristica appare già particolarmente promettente: la capacità di dissipare energia.
«Ogni elemento può scorrere, ruotare e riorganizzarsi rispetto agli altri», spiega Daraio. «È proprio questa libertà di movimento che rende il materiale così efficace nell’assorbire e disperdere le sollecitazioni».
Un’idea antica, una tecnologia del futuro
Le proprietà uniche della chainmail non sono certo una scoperta recente: l’umanità le conosce da oltre duemila anni. Ma solo oggi, grazie ai progressi nella progettazione computazionale e nella stampa 3D, i ricercatori stanno iniziando a comprenderne davvero il potenziale applicativo. E chissà che una delle innovazioni più promettenti dei materiali del futuro non nasca proprio da un’intuizione vecchia quanto le armature medievali.