Metamateriali: aste altamente contorte immagazzinano grandi quantità di energia

Che si tratti di molle per l'assorbimento di energia, di tamponi per l'immagazzinamento di energia, ma anche di strutture flessibili nella robotica o in macchine ad alta efficienza energetica: molte tecnologie richiedono l'immagazzinamento di energia meccanica. L'energia cinetica, ovvero il lavoro meccanico corrispondente, viene convertita in energia elastica in modo tale da poter essere completamente rilasciata quando necessario. Il parametro chiave è l'entalpia, ovvero la densità di energia che può essere immagazzinata e recuperata in un elemento materiale. Peter Gumbsch, professore di meccanica dei materiali presso l'Istituto per i materiali applicati (IAM) del KIT, spiega la sfida di ottenere la massima entalpia possibile: "La difficoltà sta nel combinare proprietà contraddittorie: alta rigidità e alta deformazione recuperabile con una resistenza limitata".

Le aste deformate a spirale sono abilmente disposte in metamateriali

I materiali progettati artificialmente e non presenti in natura, noti come metamateriali, consentono di personalizzare le proprietà effettive dei materiali in quanto possono essere costruiti a partire da unità definite individualmente. Peter Gumbsch, che dirige anche l'Istituto Fraunhofer per la Meccanica dei Materiali IWM di Friburgo, è ora riuscito a sviluppare metamateriali meccanici con un'alta densità di energia elastica recuperabile come parte di un team di ricerca internazionale proveniente da Cina e Stati Uniti. "Abbiamo innanzitutto scoperto un meccanismo che consente di immagazzinare una grande quantità di energia in una semplice asta rotonda senza che questa si rompa o si deformi in modo permanente", spiega Gumbsch. "Abbiamo poi integrato questo meccanismo in un metamateriale, disponendo abilmente le aste".

Gli scienziati descrivono il meccanismo utilizzando la funzionalità di una classica molla di flessione. Questa è limitata nella sua deformazione massima dal fatto che sui lati superiore e inferiore si verificano elevate sollecitazioni di trazione e compressione, che portano alla rottura o alla deformazione plastica permanente. In una molla a flessione di questo tipo, l'intero volume interno è solo leggermente sollecitato. Se invece un'asta si torce, anche l'intera superficie è soggetta a sollecitazioni elevate, ma il volume interno non caricato è molto più piccolo. Per sfruttare davvero questo meccanismo, tuttavia, la torsione deve essere così grande da portare a una complessa deformazione a spirale.

L'entalpia è da due a 160 volte superiore a quella di altri metamateriali.

I ricercatori sono riusciti a integrare queste aste caricate in torsione e deformate a spirale in un metamateriale che può essere utilizzato macroscopicamente sotto carichi monoassiali. Sulla base di simulazioni, hanno previsto che il metamateriale ha un'elevata rigidità e può quindi assorbire grandi forze. Inoltre, ha un'entalpia da due a 160 volte superiore a quella di altri metamateriali. Lo hanno confermato con semplici esperimenti di pressione su vari metamateriali chirali, cioè metamateriali con strutture speculari.

"I nostri nuovi metamateriali con un'elevata capacità di accumulo di energia elastica potrebbero essere utilizzati in futuro in vari settori in cui sono richiesti un efficiente accumulo di energia e proprietà meccaniche eccezionali", afferma Gumbsch. Oltre all'immagazzinamento di energia nelle molle, si possono ipotizzare anche l'assorbimento o lo smorzamento degli urti, nonché strutture flessibili nella robotica o in macchine ad alta efficienza energetica. Le rotazioni che si verificano all'interno dei metamateriali potrebbero essere utilizzate anche in giunti puramente elastici.