Dimensioni inesplorate dei metamateriali porosi

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Quando si tratta di metamateriali porosi – materiali onnipresenti simili a spugne utilizzati in qualsiasi cosa, dall’assorbimento acustico al vetro autopulente – si tratta di come lo si affetta.

In un nuovo articolo della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e della Harvard Graduate School of Design (GSD), i ricercatori hanno scoperto che affettare un blocco di elastomero con una serie periodica di fori a 45 gradi l’angolo, invece del tipico taglio dritto a 90 gradi, ha cambiato il comportamento del materiale, conferendogli nuove proprietà e aprendo una gamma di nuove applicazioni per questo gruppo di materiali a lungo studiato.

“I metamateriali porosi sono stati studiati in modo molto approfondito e sono stati ben compresi per molti, molti anni, ma abbiamo dimostrato che ci sono ancora nuove strade sorprendenti da esplorare”, ha affermato Katia Bertoldi, William e Ami Kuan Danoff Professor of Applied Mechanics presso SEAS e autore senior dello studio.

La ricerca è pubblicata in Lettere di meccanica estrema.

Studi precedenti, compresi quelli eseguiti nel laboratorio Bertoldi, hanno dimostrato che quando i metamateriali porosi con una serie quadrata di fori o canali vengono compressi, i legamenti simili a raggi che separano i pori si deformano e portano a un’improvvisa trasformazione dei fori circolari in ellissi. Questo cambiamento morfologico reversibile è stato sfruttato per costruire strutture con proprietà meccaniche insolite che possono essere utilizzate come interruttori fotonici e fononici, display a colori e robot morbidi in grado di afferrare e camminare.

Queste trasformazioni sono state storicamente studiate in piano, il che significa che la superficie del materiale è rimasta piatta durante l’intero processo di attuazione.

Ma semplicemente tagliando questa geometria periodica ad angolo, i ricercatori di Harvard hanno capito come abilitare trasformazioni fuori piano o tridimensionali nel materiale. Dopo aver tagliato il materiale con un angolo di 45 gradi, il team ha coperto entrambi i lati del materiale con un sottile film elastico e ha attaccato una pompa ad aria. Quando tutta l’aria viene evacuata dal materiale, i legamenti che separano i pori si piegano verso l’esterno, provocando la comparsa di creste sulla superficie del materiale. Quando l’aria viene reimmessa, le creste scompaiono mentre la superficie torna a piatta.







Questo robot simile a un verme che si sposta in avanti modificando l’attrito tra ogni segmento del suo corpo e il terreno. Credito: Bertoldi Lab/Harvard SEAS

“Questi tipi di trasformazioni geometriche non sono stati esplorati in precedenza in questa classe di materiali perché nessuno ha pensato di tagliarli in questo modo”, ha affermato Matheus C. Fernandes, ex studente laureato alla SEAS e alla Harvard Graduate School of Arts e Scienze e co-primo autore dell’articolo.

Questo cambiamento nella morfologia della superficie può essere sfruttato per alterare l’attrito tra il materiale e una superficie sottostante. Per dimostrare questo effetto, in un esperimento, il team ha attaccato piccole sfere acriliche alla superficie del blocco poroso. Alla normale pressione dell’aria, le sfere sono rimaste in contatto con la superficie sottostante, agendo come ruote mentre il blocco scivolava lungo una rampa. Quando l’aria è stata evacuata, le sfere sono state trascinate nel materiale mentre le creste di maggiore attrito si sono deformate e il blocco è rimasto fermo. I ricercatori hanno anche dimostrato lo schema opposto, attaccando alette simili a pattini che aumentavano l’attrito quando il blocco era completamente gonfiato e consentivano al blocco di pattinare lungo la superficie quando l’aria veniva evacuata.

Usando queste due configurazioni, i ricercatori hanno costruito un robot simile a un verme che si è spostato in avanti modificando l’attrito tra ogni segmento del suo corpo e il terreno.

In un altro esperimento, il team ha coperto il blocco con una vernice riflettente e ha dimostrato che la dispersione della luce dalla superficie del blocco poteva essere alterata quando la superficie cambiava topologia.

“Questo cambiamento nella terza dimensione apre molte possibilità per diverse applicazioni”, ha affermato Saurabh Mhatre, ricercatore associato presso GSD e co-primo autore del documento. “Può cambiare il modo in cui la luce viene riflessa, il modo in cui scorre il fluido e il modo in cui il suono viene assorbito e riflesso. Potrebbe anche essere utilizzato sulle suole delle scarpe da ginnastica per cambiare i livelli di trazione durante la camminata o la corsa”.

“Questo materiale è intrinsecamente multifunzionale, il che lo rende ancora più applicabile ai dispositivi e alle applicazioni del mondo reale, poiché non è necessario aggiungere componenti aggiuntivi al sistema per ottenere questi diversi comportamenti, semplificando notevolmente il processo di progettazione e produzione”, ha affermato James Weaver, Senior Scientist presso SEAS e coautore dell’articolo.

“Questo progetto è l’ennesima storia di successo nella collaborazione quasi decennale tra i ricercatori del SEAS e del GSD”, ha affermato Martin Bechthold, Kumagai Professor of Architectural Technology presso il GSD, co-direttore del Master in Design Engineering Program di Harvard e coautore dello studio. “Continueremo a superare le tradizionali barriere tra scienza e design alla ricerca di soluzioni innovative che sorgono solo attraverso un pensiero fuori dagli schemi e la capacità di immaginare e costruire in un ciclo rapido e iterativo”.


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Maggiori informazioni:
Matheus C. Fernandes et al, Modulazione della struttura della superficie tramite instabilità in metamateriali meccanici inclinati porosi, Lettere di meccanica estrema (2021). DOI: 10.1016/j.eml.2021.101549

Fornito da Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences

Citazione: Dimensioni inesplorate di metamateriali porosi (2022, 18 marzo) recuperate il 19 marzo 2022 da https://phys.org/news/2022-03-unexplored-dimensions-porous-metamaterials.html

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