Nuovo metamateriale si trasforma in nuove forme

Nuovo metamateriale si trasforma in nuove forme

Un nuovo tipo di metamateriale progettato ha la capacità di cambiare forma in modo sintonizzabile, assumendo nuove proprietà.

Mentre la maggior parte dei materiali riconfigurabili possono alternare tra due stati distinti, il modo in cui un interruttore si accende o si spegne, la forma del nuovo materiale può essere regolata con precisione, calibrando le sue proprietà fisiche come desiderato. Il materiale, che ha potenziali applicazioni nell'immagazzinamento dell'energia di prossima generazione e nei micro-dispositivi bio-impiantabili, è stato sviluppato da un team congiunto Caltech-Georgia Tech-ETH Zurigo nel laboratorio di Julia R. Greer. (1)

Julia R. Greer. Ruben F. and Donna Mettler Professore di Scienza dei materiali, Meccanica e Ingegneria medica nella Divisione Ingegneria e Scienza applicata di Caltech, crea materiali a partire da blocchi di micro e nanoscala che sono disposti in architetture sofisticate che possono essere periodiche, come un reticolo.

La maggior parte dei materiali progettati per cambiare forma richiedono uno stimolo nel momento in cui assorbe l'acqua.

Al contrario, il nuovo nanomateriale si deforma attraverso una reazione di lega di silicio-litio guidata elettrochimicamente, il che significa che può essere finemente controllato per raggiungere qualsiasi stato "intermedio", rimanere in queste configurazioni anche dopo la rimozione dello stimolo ed essere facilmente invertito.

Applicare un po' di corrente e una risultante reazione chimica cambia la forma di un grado controllato e ridotto. Applicare molta corrente e la forma cambia sostanzialmente. Rimuovere il controllo elettrico e la configurazione viene mantenuta. Una descrizione del nuovo tipo di materiale è stata pubblicata online dalla rivista Nature. (2)

Difetti e imperfezioni esistono in tutti i materiali e spesso possono determinare le proprietà di un materiale. In questo caso, il team ha scelto di trarre vantaggio da questo fatto e di creare difetti per conferire al materiale le proprietà che desiderava.

"La parte più interessante di questo lavoro per me è il ruolo critico dei difetti in materiali architettonici così dinamicamente reattivi", afferma Xiaoxing Xia, uno studente laureato presso Caltech e autore principale dell'articolo di Nature.

Secondo l'articolo di Nature, il team ha progettato un reticolo rivestito di silicio con travi diritte in microscala che si piegano in curve sotto la stimolazione elettrochimica, assumendo proprietà meccaniche e vibrazionali uniche. Il team di Julia R. Greer ha creato questi materiali utilizzando un processo di stampa 3D ad altissima risoluzione chiamato litografia a due fotoni. Usando questo nuovo metodo di fabbricazione, sono stati in grado di accumulare difetti nel sistema materiale progettato, basato su un design prestabilito. In un test del sistema, il team ha fabbricato un foglio del materiale che, sotto controllo elettrico, rivela un'icona Caltech.

La dottoressa Julia R. Greer spiega: "questo dimostra ulteriormente che i materiali sono proprio come le persone, sono le imperfezioni che li rendono interessanti. Ho sempre avuto una particolare simpatia per i difetti, e questa volta Xiaoxing Xia è riuscito a scoprire prima l'effetto di diversi tipi di difetti su questi metamateriali e poi usali per programmare uno schema particolare che emergerebbe in risposta allo stimolo elettrochimico."

Il dottor Claudio Vinicius Di Leo, (3) assistente professore di ingegneria aerospaziale presso il Georgia Institute of Technology, afferma: "i metamateriali elettrochimicamente attivi forniscono un nuovo percorso per lo sviluppo di batterie intelligenti di nuova generazione con capacità e funzionalità nuove. Alla Georgia Tech stiamo sviluppando gli strumenti computazionali per prevedere questo complesso comportamento elettro-chemo-meccanico accoppiato."

Co-autori includono lo studioso post-dottorato Caltech Carlos M. Portela, così come Arman Afshar della Georgia Tech e Dennis M. Kochmann dell'ETH di Zurigo in Svizzera. Questa ricerca è stata finanziata dalla Fellowship della Facoltà di Vannevar-Bush di Greer, dalla borsa di studio della ricerca navale di Kochmann e dalla borsa CMMI della National Science Foundation di Claudio Vinicius Di Leo.

Riferimenti:

(1) Julia R. Greer

(2) Electrochemically reconfigurable architected materials

(3) Claudio Vinicius Di Leo

Descrizione foto: una deformazione del metamateriale nanoarchitettura per creare l'icona Caltech. Credit: Julia Greer/Caltech.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New Metamaterial Morphs Into New Shapes, Taking on New Properties

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