Uno studio sulla viscoelasticità dei polimeri di Politecnico di Torino, Università di Groningen e Università di Trento fa luce sul comportamento dinamico dei metamateriali.
I metamateriali elettromagnetici ed elastici sono stati uno dei temi di ricerca emersi nella scienza dei materiali negli ultimi anni. Sono materiali strutturati periodicamente che consentono la “manipolazione” di onde e il conseguimento di effetti esotici come la focalizzazione su dettagli più piccoli della lunghezza d’onda, la possibilità di creare lenti acustiche piatte, il cloaking (detto anche mantello dell’invisibilità) e la generazione di band gaps, cioè intervalli di frequenza in cui la propagazione dell’onda è inibita.
Le proprietà dei metamateriali sono legate tradizionalmente alla loro struttura, sfruttando la ripetizione periodica di celle unitarie di geometrie complesse, piuttosto che alle proprietà del materiale costituente e sono stati proposti numerosi design per applicazioni specifiche.
Nel caso dei metamateriali elastici la stampa 3D ha consentito la realizzazione di geometrie complesse a un costo accessibile. Lo svantaggio è l’uso prevalente di polimeri che, contrariamente ai metalli hanno proprietà viscoelastiche non trascurabili, cioè hanno simultaneamente caratteristiche di un solido e di un liquido viscoso attenuativo (come il miele, per esempio), che implicano un complesso comportamento dipendente sia dalla frequenza delle onde che dalla temperatura.
I ricercatori che lavorano nel campo dei metamateriali hanno sinora cercato di evitare materiali polimerici, poiché gli effetti della viscoelasticità alle frequenze acustiche o ultrasoniche sono difficili da valutare: la maggior parte dell’analisi teorica e numerica continua a essere basata su una teoria semplificata (l’elasticità lineare, che trascura di fatto effetti viscosi), che fornisce spesso previsioni errate sulle frequenze di funzionamento dei metamateriali.
In un articolo pubblicato su Advanced Functional Materials, i ricercatori Federico Bosia, Antonio Gliozzi, Alberto Fina, Daniele Battegazzore, Stefano Stassi e Camilla Noè del Politecnico di Torino insieme ad Anastasiia Krushynska dell’Università di Groningen hanno fornitoun quadro generale in cui è possibile predire l’effetto che il comportamento viscoelastico ha sulla predizione delle frequenze dei band gap dei metamateriali.
Il lavoro numerico e sperimentale svolto interamente dal Politecnico di Torino distingue fra vari casi.
Per polimeri reologicamente semplici (le cui catene polimeriche sono cioè debolmente legate, come ad esempio il Plexiglas) le previsioni numeriche basate su semplici modelli elastici lineari possono prevedere correttamente i band gap per tutti i tipi di metamateriali, purchè le perdite viscose siano piccole.
Invece per polimeri reologicamente complessi (in cui le catene sono più fortemente legate, come la resina epossidica), è necessaria l’introduzione di modelli avanzati multiscala per predire correttamente il comportamento complesso, e anche questi possono essere insufficienti, a meno di non avere caratterizzato il comportamento viscoso in ampi intervalli di frequenza.
Poter prevedere in maniera più comprensiva il comportamento dei metamateriali polimerici permette di poter creare design più complessi e precisi utilizzando la stampa 3D, e di sviluppare ulteriormente le applicazioni di questi nuovi materiali dalle proprietà affascinanti: dai pannelli fono-assorbenti con spessori minimi, alla costruzione di dispositivi per l’individuazione non distruttiva di difetti nei materiali.
Come affermano in una nota del Polito Federico Bosia e Antonio Gliozzi – “Lo studio permette di fare un passo avanti nelle capacità di modellazione dei metamateriali viscoelastici, aumentare le capacità predittive dei codici numerici e potere così utilizzare con maggiore fiducia la stampa 3D per fabbricare metamateriali polimerici con le caratteristiche desiderate”.
