La scienza dei materiali soffici ha sempre nascosto segreti affascinanti, e uno dei più intriganti riguarda un comportamento apparentemente anomalo osservato per decenni senza una spiegazione convincente. Quando sottoposti a sollecitazioni meccaniche, alcuni di questi materiali mostrano due picchi distinti nella dissipazione energetica, un fenomeno che gli scienziati chiamano "overshoots". Questa doppia risposta aveva portato i ricercatori a ipotizzare l'esistenza di un processo di "doppio snervamento", dove il materiale doveva cedere due volte per passare completamente da uno stato solido a uno fluido.
La realtà dietro il fenomeno del doppio picco
Un team dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign ha rivoluzionato questa comprensione, dimostrando che la teoria consolidata era errata. La ricerca, guidata dal professor Simon A. Rogers del dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare, insieme all'allora studente di dottorato James J. Griebler, ha svelato che i due picchi energetici non rappresentano un processo ripetuto, ma due meccanismi fisici completamente indipendenti.
Il primo picco, più contenuto, corrisponde a un ammorbidimento della struttura elastica del materiale senza che questo ceda realmente. Si tratta di un comportamento reversibile, dove il materiale modifica temporaneamente le sue proprietà ma mantiene la capacità di ritornare allo stato originario. Il secondo picco, più pronunciato, segna invece il vero snervamento, caratterizzato da deformazioni irreversibili che trasformano definitivamente il comportamento del materiale.
L'innovativo approccio della "recovery rheology"
Per raggiungere queste conclusioni, pubblicate su Physical Review Letters, i ricercatori hanno utilizzato una metodologia pionieristica chiamata recovery rheology. Questa tecnica considera la deformazione come un parametro composito formato da componenti recuperabili e non recuperabili. Rogers ha spiegato il concetto con un'analogia particolarmente efficace: "Immaginate di masticare una gomma e poi tirarla fuori dalla bocca stirandola. Una parte si allungherà e, se la lasciate andare, parte di essa si ritrarrà - tornerà indietro un po', ma non completamente. Quel piccolo ritorno è quello che chiamiamo la parte recuperabile, mentre il fatto che non torni completamente indietro rappresenta la parte non recuperabile".
Gli esperimenti sono stati condotti utilizzando il Carbopol, un polimero gelatinoso disciolto in glicole propilenico, materiale ampiamente presente in numerosi prodotti commerciali gel. Attraverso una serie di test di taglio oscillatorio con deformazioni crescenti, il team ha osservato i caratteristici due picchi di risposta del materiale, analizzando simultaneamente quanto della deformazione applicata fosse recuperabile e quanto invece permanente.
Implicazioni per l'industria e la ricerca futura
La distinzione tra vero doppio snervamento e processi fisici separati potrebbe influenzare significativamente la gestione dei materiali nelle applicazioni industriali. Rogers sottolinea che "la lavorazione di questi materiali comporta deformazioni ampie e rapide che portano i materiali fuori dall'equilibrio". Il modello predittivo sviluppato dal team fornisce una descrizione più accurata di questo comportamento fuori equilibrio, permettendo una migliore comprensione di come i materiali reagiscono nelle condizioni operative reali.
Il professor Rogers, la cui formazione in fisica lo porta spesso ad affrontare i problemi reologici con approcci non tradizionali, evidenzia come questo studio dimostri il valore della sperimentazione accurata rispetto agli approcci puramente teorici. "Per molto tempo, le persone hanno cercato di risolvere questo problema eseguendo gli stessi esperimenti utilizzati per scoprire l'effetto, pensando che la risposta si trovasse da qualche parte in un'analisi matematica complessa", ha spiegato. "Quello che abbiamo dimostrato è che semplici esperimenti progettati per testare le ipotesi sottostanti valgono molto di più di quell'analisi matematica complessa, e ci hanno indicato una realtà che non era stata precedentemente scoperta".
Il team di ricerca, oltre a Rogers e Griebler (ora ricercatore post-dottorato all'Università del Tennessee), include anche la studiosa ospite Anita S. Dobo e la ricercatrice universitaria Elizabeth E. Miczuga, tutti contributori di uno studio che promette di ridefinire la comprensione dei materiali soffici e del loro comportamento meccanico.