Nuovo materiale in grado di assorbire e rilasciare enormi quantità di energia

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 grandissime quantità di energia. Ed è programmabile.

Un nuovo metamateriale con sorprendenti qualità

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 affermato Alfred Crosby, professore di scienza e ingegneria dei polimeri presso UMass Amherst e autore senior del documento. “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 questo elastico vai, 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 minuscoli magneti incorporati al suo interno. Questo nuovo materiale “elastomagnetico” 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: pensa all’acqua che si trasforma in vapore o al cemento liquido che si indurisce in un marciapiede. Ogni volta che un materiale cambia fase, l’energia viene rilasciata o assorbita. E gli sfasamenti non si limitano solo ai cambiamenti tra lo stato liquido, solido e gassoso: può verificarsi uno spostamento 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 utilizzando i metamateriali, Crosby ha dichiarato che “abbiamo superato queste sfide e non solo abbiamo creato nuovi materiali, ma abbiamo anche sviluppato algoritmi di progettazione che consentono di programmare questi materiali con risposte specifiche, rendendoli prevedibili”.

Il team è stato ispirato da alcune delle risposte fulminee viste in natura: la chiusura a scatto delle trappole di Venere e le formiche trappola. “Abbiamo portato questo al livello successivo”, ha affermato Xudong Liang, l’autore principale del documento, attualmente professore presso l’Harbin Institute of Technology, Shenzhen (HITSZ) in Cina, che ha completato questa ricerca mentre era post-dottorato presso UMass Amherst.

“Incorporando minuscoli 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: assorbendo l’energia da un grande impatto o il rilascio di grandi quantità di energia per un movimento esplosivo”.

Questa ricerca, che è stata supportata dall’US Army Research Laboratory e dall’US Army Research Office, nonché dall’Harbin Institute of Technology, Shenzhen (HITSZ), ha applicazioni in qualsiasi scenario in cui sono necessari impatti ad alta forza o risposte fulminee.