Il potere della struttura interna

Il cubo di ceramica al microscopio contiene superpoteri: una pressa lo comprime dall'alto di quasi un terzo della sua altezza. Ma nulla si sbriciola, si rompe o si incrina. Poi si allenta e il cubo torna alla sua forma originale, quasi come una spugna. La pressa ripete il gioco e il cubo rimane intatto. Il cubo di ceramica di 0,1 millimetri è così elastico grazie alla sua struttura interna: è attraversato da scanalature e cavità curve. Queste sono progettate in modo tale che le forze di trazione non possano concentrarsi in nessuna area del cubo quando viene schiacciato. Questo perché tali concentrazioni di forze di trazione in aree difettose, ammaccature o angoli acuti della struttura rendono il materiale fragile. La speciale struttura a grotta impedisce questo fenomeno e la ceramica diventa improvvisamente elastica.

Quello che il professore dell'ETH Dennis Kochmann ha sviluppato insieme ai colleghi del California Institute of Technology di Pasadena è un metamateriale. Tali materiali di design hanno proprietà che non sono presenti in natura. Queste proprietà sono insite nella struttura microscopica. Le ceramiche elastiche sono un esempio relativamente poco spettacolare. I metamateriali sono noti per la loro capacità di controllare la propagazione delle onde. Ad esempio, i ricercatori sono riusciti a produrre un metamateriale con un indice di rifrazione negativo. Un tale materiale rifrange la luce o altre onde nella "direzione sbagliata". Le applicazioni includono lenti completamente piatte e, teoricamente, anche dispositivi di occultamento ottico e acustico. I metamateriali hanno quindi anche il potenziale di rendere le cose invisibili. Il campo dei metamateriali è ancora relativamente giovane e rappresenta una miniera d'oro scientifica. In teoria, i metamateriali possono essere personalizzati per avere quasi tutte le proprietà. Chiunque riesca a padroneggiare l'interazione tra forme geometriche, elementi e materiali avrà un campo da gioco a portata di mano.

Morbido e conduttivo

Kochmann e il suo gruppo conducono una ricerca fondamentale. Stanno esplorando il campo di gioco e spingendo i confini di ciò che i materiali sono in grado di fare. Qualche anno fa hanno dimostrato che anche i materiali morbidi - i polimeri, per la precisione - possono trasportare le onde. Ciò è stato possibile grazie a una disposizione intelligente del materiale morbido. Gli scienziati hanno utilizzato i cosiddetti elementi bistabili: ognuno di essi può assumere due posizioni, una tesa e una rilassata. Hanno disposto questi elementi in serie, a mo' di domino, e li hanno collegati tra loro. Se la struttura viene spinta a un'estremità, un'onda si sposta all'altra estremità, proprio come le tessere del domino. Questo ha fornito una soluzione semplice per la trasmissione di segnali in materiali morbidi. I ricercatori hanno trovato un'alternativa morbida ai cavi tradizionali. Questo è importante per lo sviluppo di robot morbidi, ad esempio.

Il team di Kochmann sta attualmente lavorando per applicare lo stesso principio non solo in una, ma anche in due e tre dimensioni. Ciò consentirà di ottenere materiali in grado di cambiare forma in due o tre dimensioni in risposta a uno stimolo specifico, senza dover ricorrere ad azionamenti o motori. Utilizzando la sola struttura, i ricercatori potrebbero programmare lo stato iniziale e finale di una forma trasformabile, nonché la velocità e la sequenza della trasformazione.

Trasformazione con la semplice pressione di un tasto

Mentre questi materiali vengono stimolati meccanicamente - a mano in laboratorio - in modo che si trasformino, altri lo fanno elettronicamente con la semplice pressione di un pulsante. Kochmann ha partecipato allo sviluppo di un metamateriale rivestito di silicio che può essere caricato elettrochimicamente, cambiando così la sua struttura. Allo stato iniziale, il metamateriale si presenta come una griglia tridimensionale, con sottili filamenti orizzontali che collegano montanti verticali più spessi, simili a un ring da boxe. Quando la struttura viene caricata elettricamente, i fili orizzontali si gonfiano e si piegano in uno schema simmetrico di archi opposti, simili a un seno. I ricercatori sfruttano un effetto che altrimenti potrebbe causare problemi alle batterie: Durante la carica e la scarica, gli elettrodi si gonfiano e si restringono. Nel nuovo metamateriale, il rigonfiamento dei filamenti orizzontali provoca un cambiamento radicale della struttura, che rimane tale fino a quando non viene nuovamente scaricata. I ricercatori sono così riusciti a creare un metamateriale commutabile. Poiché funziona come una batteria ricaricabile, in futuro potrebbe essere utilizzato per sviluppare dispositivi di accumulo di energia impiantabili di dimensioni micrometriche.

Kochmann ha utilizzato le simulazioni anche per dimostrare un'altra proprietà interessante: Se il metamateriale viene deformato (cioè caricato), le onde in determinate gamme di frequenza non possono propagarsi al suo interno. Applicando più o meno tensione, questi intervalli di frequenza possono essere modificati. Queste barriere d'onda regolabili potrebbero essere interessanti anche per smorzare le vibrazioni in componenti molto piccoli, come quelli presenti nella microelettronica, spiega Kochmann.

Ricerca creativa per struttura

Con la giusta struttura, le proprietà dei materiali possono essere modificate in modo controllato. Resta da capire come trovare il design che porta alla proprietà desiderata tra innumerevoli combinazioni di forme geometriche, principi architettonici e materiali di base. Si sta lavorando per utilizzare algoritmi e intelligenza artificiale per esplorare sistematicamente lo spazio di progettazione. Tuttavia, questi metodi sono ancora agli inizi, dice Kochmann. "Al momento c'è ancora molto brainstorming dietro. Ci piace riunirci alla lavagna e combinare dal repertorio comune", cioè da elementi di forma noti e dalle loro proprietà.

La base è l'ambito specialistico di Kochmann: le simulazioni. Sulla base della composizione chimica e della microstruttura di un materiale, studia le sue proprietà quando viene esposto a determinate influenze. Ad esempio, quando vengono riscaldati, energizzati o compressi, come nel caso dei cubetti di ceramica. Utilizza le conoscenze acquisite sui materiali in questo modo per sviluppare nuovi metamateriali.

Strumento di fisica teorica

Kochmann riceve anche il sostegno di colleghi di altre discipline. Ad esempio, dal fisico Sebastian Huber. Tra le altre cose, si è specializzato nello sviluppo e nella costruzione di strutture e sistemi che si comportano come previsto da concetti teorici astratti. Per esempio, è riuscito a costruire un cosiddetto isolante topologico: un sistema in cui le onde possono propagarsi solo sulla superficie e in una sola direzione. L'effetto, che in precedenza era conosciuto solo dalla fisica quantistica, è stato dimostrato per la prima volta da Huber nel 2015 utilizzando un modello di 270 pendoli disposti in un quadrato. Ciò che Huber ha ottenuto con i pendoli, lo fa anche con i metamateriali: sviluppa e costruisce strutture che mostrano effetti che altrimenti possono essere osservati solo in esperimenti complessi. La sua ricerca riguarda sempre il controllo finale della propagazione delle vibrazioni, dice Huber.

Con i suoi metamateriali, traduce i concetti della fisica teorica nel mondo della meccanica. In questo modo, fornisce strumenti a ricercatori sui materiali come Dennis Kochmann. Huber rende così disponibili nuovi modi di pensare e concetti di progettazione per le strutture materiali. Allo stesso tempo - e come fisico ne è quasi più soddisfatto - può anche perfezionare alcuni modelli fisici sulla base delle misurazioni effettuate negli esperimenti con i suoi metamateriali. Le strutture interne dei metamateriali sono quindi la chiave per molte cose: dalla comprensione delle relazioni in fisica alla creazione di nuovi tipi di materiali con proprietà finora sconosciute.