Gli scienziati americani hanno creato una struttura polimerica capace di trasformarsi rapidamente in oltre una dozzina di configurazioni tridimensionali complesse, rivoluzionando il concetto di materiali intelligenti. La forma base ricorda una lanterna cinese, ma le sue capacità vanno ben oltre l'aspetto ornamentale: può essere controllata a distanza tramite campi magnetici e immagazzinare energia elastica per rilasciarla istantaneamente. Questa innovazione apre scenari inediti per applicazioni che spaziano dalla robotica alla medicina.
Il segreto nella geometria: da parallelogramma a lanterna
Il punto di partenza del progetto è sorprendentemente semplice: un sottile foglio di polimero tagliato a forma di parallelogramma romboidale. I ricercatori della North Carolina State University hanno praticato una serie di tagli paralleli attraverso il centro del materiale, creando nastri collegati da strisce solide alle estremità superiore e inferiore. Quando queste estremità vengono unite, il foglio si piega naturalmente assumendo la caratteristica forma circolare di una lanterna.
"Questa configurazione base è bistabile di per sé", spiega Jie Yin, professore di ingegneria meccanica e aerospaziale e coordinatore della ricerca. La struttura mantiene stabilmente la forma a lanterna, ma quando viene compressa dall'alto inizia a deformarsi gradualmente fino a raggiungere un punto critico dove scatta improvvisamente in una seconda forma stabile che ricorda una trottola.
L'energia immagazzinata: il cuore del meccanismo
Il principio fisico alla base del funzionamento è l'accumulo e il rilascio controllato di energia elastica. Nella configurazione a trottola, la struttura conserva tutta l'energia utilizzata per comprimerla, come una molla carica. Quando si inizia a tirare verso l'alto, si raggiunge rapidamente il punto in cui questa energia viene liberata istantaneamente, facendo scattare la lanterna nella sua forma originale con notevole velocità.
Yaoye Hong, primo autore dello studio e attualmente ricercatore post-dottorato presso l'Università della Pennsylvania, ha scoperto che applicando torsioni o piegando le strisce solide verso l'interno o l'esterno si possono ottenere numerose forme aggiuntive. "Ogni variazione è multistabile", precisa Hong. "Alcune possono alternare tra due stati stabili, mentre una configurazione particolare presenta quattro stati stabili diversi".
Dal laboratorio alle applicazioni pratiche
L'integrazione di un sottile film magnetico sulla striscia inferiore ha permesso ai ricercatori di controllare remotamente le trasformazioni tramite campi magnetici. Le dimostrazioni pratiche includono un manipolatore magnetico delicato capace di catturare e rilasciare pesci senza danneggiarli, un filtro per il controllo del flusso che si apre e chiude sott'acqua, e un dispositivo compatto che si estende improvvisamente verso l'alto per riaprire tubi collassati.
Per prevedere e ottimizzare il comportamento delle lanterne, il team ha sviluppato un modello matematico che correla la geometria di ogni angolo con la forma finale e la quantità di energia elastica immagazzinata in ciascuna configurazione stabile. "Questo modello ci consente di programmare la forma desiderata, la sua stabilità e la potenza disponibile quando l'energia potenziale si trasforma in energia cinetica", sottolinea Hong.
Verso i metamateriali del futuro
Le prospettive future prevedono l'assemblaggio di queste unità-lanterna in architetture bidimensionali e tridimensionali per creare metamateriali meccanici in grado di cambiare forma e applicazioni robotiche avanzate. La ricerca, pubblicata sulla rivista Nature Materials, rappresenta un passo significativo verso la realizzazione di materiali programmabili che possano adattarsi dinamicamente alle esigenze specifiche.
Il lavoro, supportato dalla National Science Foundation, è il risultato della collaborazione tra diversi ricercatori, inclusi i dottorandi Caizhi Zhou e Haitao Qing della NC State, e Yinding Chi, ora ricercatore post-dottorato presso l'Università della Pennsylvania. Questa morfogenesi programmabile potrebbe rivoluzionare settori che vanno dalla medicina di precisione all'ingegneria aerospaziale.