Nuovo materiale in grado di assorbire e rilasciare enormi quantità di energia

“Immaginate un elastico: se lo estendete all’indietro e poi lo lasciate andare, esso volerà attraverso la stanza. Ora immaginate un super elastico. Quando lo allungate oltre un certo limite, attivate l’energia extra immagazzinata nel materiale. Dopo aver rilasciato questo elastico, esso volerà per più di un chilometro.” Sono le parole di Alfred Crosby, professore di scienza e ingegneria dei polimeri presso l’Università del Massachusetts Amherst e autore senior dello studio su un nuovo materiale in grado di assorbire e rilasciare grandi quantità di energia.

Un team dell’UMass Amherst ha infatti ingegnerizzato una sostanza simile alla gomma dotata di questa straordinarie caratteristica, oltre a essere programmabile. Le applicazioni per questo nuovo materiale sono in prospettiva promettenti e coprono un ampio campo d’impiego, dai materiali usati per la protezione della persona, per esempio nei caschi, in grado di dissipare rapidamente l’energia ai dispositivi robotici che potrebbero sfruttare al meglio l’energia disponibile e ottenere risultati migliori senza bisogno di accumularne quantità superiori.

Il passaggio di stato, o transizione di fase, è un fenomeno comune sotto gli occhi di tutti

Un metamateriale è una sostanza progettata appositamente affinché disponga di qualità non reperibili nei materiali presenti in natura: la nuova ricerca ha portato a combinare una sostanza elastica simile alla gomma con minuscoli magneti incorporati al suo interno. Questo elastomagnete sfrutta il fenomeno fisico chiamato transizione di fase per amplificare enormemente la quantità di energia accumulabile o rilasciabile.

La transizione di fase si verifica nel momento in cui un materiale passa da uno stato all’altro, per esempio da liquido ad aeriforme o solido. Naturalmente il caso più noto è rappresentato dall’acqua, ma questo fenomeno può verificarsi, a seconda del materiale, anche da uno stato solido a un altro stato solido. E ogni volta che si verifica una transizione, vi è un rilascio di energia. Che potrebbe essere sfruttata, se si riuscisse a superare l’ostacolo di produrne in quantità sufficiente.

Amplificazione e controllo del procedimento per sfruttare al massimo l’energia

“Per amplificare il rilascio o l’assorbimento di energia, è necessario progettare una nuova struttura a livello molecolare o addirittura atomico”, spiega Crosby. Conseguire questo risultato costituisce una vera e propria sfida, a maggior ragione se è necessario che tale comportamento sia prevedibile, quindi controllabile. Sfida che è stato possibile superare proprio grazie all’utilizzo dei metamateriali, che con l’utilizzo di algoritmi di progettazione possono essere programmati in modo da fornire risposte specifiche, rendendoli prevedibili come necessario.

L’ispirazione è giunta da settori della scienza apparentemente lontani dalla fisica: dalla chiusura a scatto delle trappole di Venere (Dionaea muscipula, forse le più famose piante carnivore) o dalle formiche, in particolare le mandibole della specie chiamata Odontomachus.
“Siamo passati al livello successivo”, afferma Xudong Liang, autore principale dello studio, attualmente professore presso l’Istituto di Tecnologia di Harbin, Shenzhen (Cina) ma ricercatore post-dottorato presso la UMass Amherst al momento della ricerca.

“Incorporando minuscoli magneti nel materiale elastico possiamo controllare le transizioni di fase del metamateriale. E poiché il passaggio di stato è prevedibile e ripetibile, possiamo progettare il metamateriale per fargli fare esattamente ciò che vogliamo: assorbire l’energia da un potente impatto o rilasciarne in grandi quantità per generare un movimento esplosivo”. Le possibili applicazioni del nuovo metamateriale riguardano qualsiasi scenario in cui siano necessari impatti altamente energetici o risposte fulminee.

Fonte: Phase-transforming metamaterial with magnetic interactions, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022).

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