Scoperti nuovi materiali ultraleggeri resistenti agli attacchi supersonici
Gli ingegneri del MIT, del Caltech di Pasadena e dell’EHT di Zurigo hanno progetto nuovi materiali “nanoarchitrected” lavorando alla nanoscala. Si tratta di strutture molto resistenti, a base di carbonio, in grado di essere sfruttate per armature leggere, rivestimenti protettivi, scudi antiesplosione e altri mezzi resistenti agli urti. Il team ha testato la resilienza del materiale sparandogli microparticelle a velocità supersonica. Nonostante le dimensioni, più sottile di un capello umano, è stato in grado di assorbire l’impatto. Il team di ricercatori comprende David Veysset, Yuchen Sun e Keith A. Nelson, dell’Institute for Soldier Nanotechnologies del MIT e del Dipartimento di chimica, e Dennis M. Kochmann dell’ETH. La produzione del materiale è stata effettuata nel laboratorio della Caltech, guidata da Julia R. Greer, professoressa in scienza dei materiali, meccanica e ingegneria medica e da Carlos Portela, professore di ingegneria meccanica al MIT.
Come sono stati ottenuti i nuovi materiali?
Il materiale è costituito da strutture interconnesse realizzate con montanti di carbonio. Tali strutture, dette ottaedri troncati, sono tetracaidecaedri irregolari, ovvero poligoni con 14 facce, di cui otto esagonali e sei quadrate. Sono anche dette celle di Kelvin, in quanto lo stesso Lord Kelvin aveva identifico la struttura come ottimale per riempire uno spazio tridimensionale vuoto. Questa struttura è tipica delle schiume, motivo per cui è in grado di donare flessibilità al carbonio, che normalmente è fragile. Il team ha ottenuto questo nuovo materiale in laboratorio utilizzando la tecnica della litografia a due fotoni.
Si utilizza un laser veloce e ad alta potenza per solidificare strutture microscopiche in una resina fotosensibile. Dopo aver modellato la struttura reticolare, i ricercatori hanno lavato via la resina rimanente e l’hanno collocata in un forno sottovuoto ad alta temperatura. In questo modo è stato possibile convertire il polimero in carbonio, solitamente fragile, in un materiale ultraleggero e flessibile.
Particelle supersoniche contro i nuovi materiali per misurarne le proprietà
I ricercatori hanno analizzato la resistenza del materiale mediante prove in rapida deformazione. Hanno eseguito esperimenti al MIT utilizzando test di impatto di microparticelle alla velocità supersonica (oltre i 340 metri al secondo). Si mira un laser ultraveloce attraverso un vetrino rivestito con una pellicola sottile d’oro, a sua volta rivestito da particelle di ossido di silicio larghe 14 micron. Nel momento in cui il laser passa attraverso il vetrino produce un plasma, ovvero una rapida espansione di gas dall’oro, che spinge le particelle di ossido di silicio nella direzione del laser. In questo modo le microparticelle diventano dei veri e propri proiettili che accelerano rapidamente verso il bersaglio. I ricercatori hanno potuto ottenere velocità che vanno da 40 a 1.100 metri al secondi, raggiungendo anche più del doppio della velocità del suono.
Usando una telecamera ad alta velocità, hanno catturato il momento d’impatto tra le microparticelle e il materiale “nano-architettato”.
Un materiale più resistente dell’acciaio
Inizialmente sono stati fabbricati due materiali di diversa densità, uno meno denso con montanti leggermente più sottili dell’altro. Dopo aver confrontato la risposta all’impatto, hanno notato che quello più denso risultava essere più resistente. Tale materiale assorbe meglio l’impatto rispetto all’acciaio, al Kevlar, all’alluminio e ad altri materiali di peso comparabile. Non a caso, il professor Portela afferma che questo nuovo materiale ” può assorbire molta più energia grazie al meccanismo di compattazione degli urti dei montanti su scala nanometrica, rispetto ad altri materiali completamente densi, non nano-architettati“.
Lavorare alla nanoscala per ottenere grandi risultati
Progettare un materiale a partire dalla nanoscala permette di ottenere risultati impensabili lavorando alla macroscala. È possibile produrre materiali con proprietà totalmente differenti, come nel caso appena descritto. Questo li rende fruibili in numerosissimi ambiti applicativi: dalla medicina all’elettronica, dal settore automobilistico a quello aeronautico. Grazie ai vantaggi apportati, si sentirà sempre più parlare di nuovi materiali nanoingegnerizzati. I ricercatori si occuperanno di analizzare la nanoscala, in modo da ottenere una perfetta corrispondenza tra mondo macroscopico e nanometrico.