Un team di ricercatori dell'Università del Massachusetts Amherst ha recentemente annunciato negli Atti della National Academy of Sciences di aver progettato una nuova sostanza solida simile alla gomma che ha qualità sorprendenti. Può assorbire e rilasciare grandi quantità di energia, ed è programmabile.
Nel complesso, questo nuovo materiale è molto promettente per una vasta gamma di applicazioni, dal consentire ai robot di avere più potenza senza utilizzare energia aggiuntiva, ai nuovi caschi e materiali protettivi che possono dissipare l'energia molto più rapidamente. "Immagina un elastico", ha spiegato Alfred Crosby, professore di scienza e ingegneria dei polimeri presso UMass Amherst e autore senior dell'articolo, "lo tiri indietro, e quando lo lasci andare, vola attraverso la stanza. Ora immagina un super elastico. Quando lo allunghi oltre un certo punto, attivi l'energia extra immagazzinata nel materiale. Quando lasci andare questo elastico, vola per un miglio".
Questo ipotetico elastico è costituito da un nuovo metamateriale, una sostanza progettata per avere una proprietà che non si trova nei materiali presenti in natura, che combina una sostanza elastica simile alla gomma con piccoli magneti incorporati in esso. Questo nuovo materiale "elasto-magnetico" sfrutta una proprietà fisica nota come sfasamento per amplificare notevolmente la quantità di energia che il materiale può rilasciare o assorbire.
Uno sfasamento si verifica quando un materiale si sposta da uno stato all'altro: si pensi all'acqua che si trasforma in vapore o al calcestruzzo liquido che si indurisce in un marciapiede. Ogni volta che un materiale sposta la sua fase, l'energia viene rilasciata o assorbita. E gli sfasamenti non si limitano solo ai cambiamenti tra stati liquidi, solidi e gassosi: uno spostamento può verificarsi da una fase solida all'altra. Uno sfasamento che rilascia energia può essere sfruttato come fonte di energia, ma ottenere abbastanza energia è sempre stata la parte difficile.
"Per amplificare il rilascio o l'assorbimento di energia, è necessario progettare una nuova struttura a livello molecolare o addirittura atomico", ha affermato Crosby. Tuttavia, questo è difficile da fare e ancora più difficile da fare in modo prevedibile. Ma usando i metamateriali, Crosby afferma che "abbiamo superato queste sfide e non solo abbiamo realizzato nuovi materiali, ma abbiamo anche sviluppato algoritmi di progettazione che consentono a questi materiali di essere programmati con risposte specifiche, rendendoli prevedibili".
Il team è stato ispirato da alcune delle risposte fulminee viste in natura: la chiusura a scatto di Venere acchiappamosche e formiche a mascella trappola. "Abbiamo portato questo al livello successivo", ha affermato Xudong Liang, autore principale dell'articolo, attualmente professore presso l'Harbin Institute of Technology, Shenzhen (HITSZ) in Cina, che ha completato questa ricerca mentre era un postdoc presso UMass Amherst. "Incorporando piccoli magneti nel materiale elastico, possiamo controllare le transizioni di fase di questo metamateriale. E poiché lo sfasamento è prevedibile e ripetibile, possiamo progettare il metamateriale per fare esattamente quello che vogliamo che faccia: assorbire l'energia di un grande impatto o rilasciare grandi quantità di energia per un movimento esplosivo".
Questa ricerca, che è stata supportata dal Laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti e dall'Ufficio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti, nonché dall'Harbin Institute of Technology di Shenzhen (HITSZ), ha applicazioni in qualsiasi scenario in cui sono necessari impatti ad alta forza o risposte fulminee.