Tira e il componente si allargherà

L’esperienza insegna: maggiore è la forza con cui si tira un nastro elastico in gomma in lunghezza, maggiore è il suo grado di assottigliamento. Ma vi sono anche materiali che reagiscono in modo molto diverso: si allargano quando vengono tirati e si assottigliano quando vengono compressi.

Questo comportamento, che si differenzia molto da quanto osservato nella quotidianità, rende interessanti i cosiddetti materiali auxetici. Questi materiali sono in grado di assorbire molta energia e possono avere un’elevata capacità di smorzamento. Tali caratteristiche sono molto richieste negli ammortizzatori per urti e oscillazioni, e vengono in aiuto anche per i sostituti ossei e per la costruzione di impianti.

Le particolarità dei materiali auxetici possono essere descritte, a livello fisico, attraverso un coefficiente di Poisson negativo: una grandezza meccanica riguardante la robustezza dei materiali che descrive come si comporta un corpo sotto l’influsso di una forza di trazione o compressione. Il sughero per esempio ha un coefficiente di contrazione trasversale pari a circa 0, quasi non viene influenzato da trazione e pressione. Le materie plastiche espanse si classificano tra 0,1 e 0,4, il titanio si attesta attorno a 0,35, le plastiche a circa 0,3. Solo la gomma raggiunge il massimo valore possibile di 0,5.

Il fatto che i materiali auxetici si comportino in modo così particolare e che il loro coefficiente di concentrazione trasversale sia pari a –1 dipende dalle loro complesse strutture interne. Alla fine degli anni ’80 sono stati descritti i primi materiali di questo genere sulla base dei polimeri.

Presso Erlangen, questo approccio andava trasmesso al metallo e le apposite strutture sono state sviluppate dai ricercatori dapprima sulla base di riflessioni teoriche. L’ottimizzazione ha avuto luogo al computer. Vi hanno partecipato matematici, fisici e ricercatori dei materiali, che hanno lavorato nel gruppo di eccellenza Engineering of Advanced Materials. Tutti qui si occupano dello sviluppo di nuovi materiali e svolgono ricerca dedicandosi a progetti cluster interdisciplinari.

Non appena i modelli e le simulazioni computerizzati sono sembrati promettenti, sono stati prodotti componenti con la struttura selezionata tramite Rapid Manufacturing. Attraverso fusioni selettive per fasci elettronici sono stati prodotti componenti a strati a partire da polvere di titanio. Le caratteristiche meccaniche calcolate coincidevano con i valori misurati.

Il materiale auxetico si restringe se compresso e questo lo rende ottimale per gli impianti. Le sue caratteristiche meccaniche possono essere adattate localmente a quelle dell’osso. Dato che sotto pressione riduce il suo volume ma quando scaricato ritorna al volume iniziale, agisce come una piccola pompa, il che migliora lo scambio di liquidi corporei nell’impianto.

Attualmente si lavora per fare in modo che il comportamento auxetico possa essere regolato in modo mirato e massimizzato in tutte e tre le direzioni spaziali.

Ulteriori informazioni Informazioni sui materiali auxetici: PD Ing. Carolin Körner, e-mail: carolin.koerner@ww.uni-erlangen.de Ulteriori informazioni sul cluster d’eccellenza Engineering of Advanced Materials: www.eam.uni-erlangen.de I ricercatori di Erlangen riportano i risultati dei loro lavori di ricerca in 20 saggi. Questi vengono pubblicati sotto il titolo ”Hierarchical Structures Towards Functionality“, un volume separato della rivista Advanced Materials. Esso contiene articoli generali su nanoelettronica, ottica e fotonica, catalisi e costruzione leggera. Edizione online su http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.v23.22/23/issuetoc