Stabile in tutte le forme possibili
I ricercatori dell'ETH hanno sviluppato una struttura che può essere trasformata in una varietà di forme stabili ed è straordinariamente facile da produrre. La chiave sta in una sapiente combinazione dei materiali di partenza.
Da tempo i ricercatori lavorano su materiali che possono assumere forme stabili diverse a seconda delle esigenze. L'obiettivo di queste cosiddette strutture multistabili è quello di costruire oggetti la cui forma tridimensionale possa essere modificata in modo permanente a seconda delle esigenze. Ciò potrebbe essere utilizzato, ad esempio, per costruire elementi di facciata adattabili o oggetti di grandi dimensioni che possono essere facilmente trasportati per risparmiare spazio.
Ma la grande svolta è ancora lontana. Le soluzioni precedenti, infatti, sono molto costose da produrre, possono essere modellate una sola volta o richiedono una fornitura continua di energia per mantenere lo stato alterato.
Soluzione straordinariamente semplice
Giada Risso, dottoranda del gruppo Materiali compositi e strutture adattive di Paolo Ermanni, ha recentemente presentato sulla rivista "Advanced Science" un nuovo approccio che supera questi svantaggi. "Uno dei miei obiettivi principali era quello di sviluppare una struttura piatta, multistabile e facile da produrre", spiega l'autrice. La soluzione è straordinariamente semplice: l'autrice incolla una struttura composita piatta a una pellicola termoplastica morbida e pre-tesa in poliuretano. "Una superficie piana, un supporto per pretensionare la pellicola: in pratica è tutto ciò che serve", spiega Risso.
Se la struttura così prodotta viene piegata a mano, passa dallo stato piatto iniziale a una forma curva che non cambia più senza ulteriori interventi. La forma può essere cambiata di nuovo con un secondo movimento della mano, e il nuovo stato viene nuovamente mantenuto senza ulteriori azioni. Inoltre, lo stato iniziale può essere facilmente ripristinato.
Un telaio con fibre di carbonio
Ma perché questa struttura può essere deformata in modo così flessibile in diversi stati stabili? Risso ha scoperto che il fattore decisivo è il materiale utilizzato come struttura. "Otteniamo i migliori risultati con un materiale composito fatto di fibre di carbonio. Se invece si utilizzano fibre di vetro come struttura, è possibile ottenere forme molto meno stabili. Il peggiore è l'acciaio come materiale di contorno: con esso non è possibile creare un secondo stato stabile.
Nella sua tesi, Risso ha teorizzato il motivo per cui i diversi materiali portano a risultati così diversi. "Le fibre di carbonio sono altamente anisotrope, il che significa che hanno proprietà molto diverse nelle varie direzioni spaziali. A seconda della direzione in cui vengono tirate, hanno una forza diversa. ? questa anisotropia che crea una forma multistabile". Poiché l'acciaio è isotropo, a differenza delle fibre di carbonio, non è possibile produrre una forma multistabile.
Caterpillar come formazione preliminare
Il blocco base della nuova struttura è un elemento quadrato. Questo può essere ampliato con altri quadrati, a seconda delle necessità. Poiché ogni singolo quadrato può assumere diversi stati stabili, è possibile creare un gran numero di forme possibili in combinazione.
Nella fase successiva, Risso ha dotato una struttura composta da 16 quadrati dei cosiddetti attuatori pneumatici. Questi funzionano in modo simile a un palloncino "unilaterale", cioè si espandono da un lato quando l'aria vi affluisce. Se l'aria viene spinta nei singoli attuatori, la struttura si piega nel modo desiderato e assume una nuova forma. Negli esperimenti, Risso è riuscito a dimostrare che è possibile simulare il movimento di un bruco.
Risso vede molte applicazioni potenziali per queste strutture, ad esempio per costruire elementi di facciata regolabili o robot flessibili. L'industria aerospaziale è la più interessata: "Utilizza già materiali compositi leggeri e fa affidamento su materiali compatti che possono essere facilmente modificati". Il nuovo approccio potrebbe essere utilizzato per costruire antenne o pannelli solari, ad esempio, che possono essere facilmente dispiegati e configurati dopo essere stati trasportati nello spazio.
La diversità non ha limiti
Per inciso, il principio funziona non solo con elementi di base quadrati, ma anche con qualsiasi altro poligono, come Risso è riuscito a dimostrare in un altro lavoro. Questo amplierà enormemente la gamma di applicazioni. "Chissà, forse presto useremo materiali come questi per costruire figure a forma di cubo che possono essere trasformate in strutture tridimensionali esotiche in pochissimo tempo", dice Risso con una risata.
"Se riuscissimo a miniaturizzare questi elementi fino al millimetro, potrei immaginare di utilizzarli anche in medicina".Giada Risso
In effetti, il nuovo concetto, con la sua ampia gamma di possibilità, stimola l'immaginazione. "Non sono neanche lontanamente in grado di esplorare tutte le possibilità, perché ora devo concentrarmi sul completamento della mia tesi di dottorato", dice Risso. Vuole utilizzare il tempo rimanente per chiarire alcune domande di ricerca in apertura, ad esempio.
Grazie alla sua formazione in matematica applicata, la ricercatrice vuole chiarire la questione di quanto sia stabile uno stato stabile, ad esempio. Anche la velocità di deformazione è un punto critico che deve essere analizzato più da vicino. "Per molte applicazioni è importante che il materiale non cambi bruscamente, ma che passi da uno stato all'altro in modo controllato", spiega l'esperta. "Per questo stiamo anche studiando come controllare e rallentare meglio la deformazione".
Infine, c'è anche l'aspetto delle dimensioni: "Non sappiamo ancora quanto possiamo ridurre le dimensioni dei singoli elementi. Se riuscissimo a rimpicciolire questi elementi fino al millimetro, potrei anche immaginare di utilizzarli in medicina", dice Risso. "Ma questo è ancora molto lontano".
Riferimento alla letteratura
Risso G, Sakovsky M, Ermanni P. Una meta-struttura altamente multistabile attraverso l'anisotropia per una trasformazione di forma ampia e reversibile. Advanced Science 21 luglio 2022. DOI: pagina esterna10.1002/advs.202202740