Gli ingegneri meccanici della Johns Hopkins University di Baltimora hanno trovato un nuovo modo per costruire un’armatura fatta con un materiale elastomerico leggero che si basa su una complessa struttura a cristalli liquidi. L’armatura risultante è “più leggera, più forte e riutilizzabile“, secondo il comunicato stampa dell’università. Potrebbe essere un punto di svolta nel mondo altamente deformabile dell’armatura.
Sung Hoon Kang, autore senior del nuovo articolo, pubblicato sulla rivista Advanced Materials, fa parte dell’interessante Hopkins Extreme Materials Institute (HEMI), fondato nel 2012 per studiare “la scienza associata a materiali e strutture in condizioni estreme che dimostrano prestazioni estreme”. I suoi progetti sono finanziati da organizzazioni come il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e la National Science Foundation, con aree di studio che includono cose come il comportamento dei materiali nel mantello terrestre.
È facile vedere come il mantello terrestre sia estremo, con alcune delle temperature e pressioni più alte del pianeta. L’armatura è un’applicazione diversa, ma qualcosa che è ancora molto estremo: deve assorbire i colpi di pistola, ad esempio, e diffondere quell’energia cinetica in un modo che non danneggi chi la indossa non è un’impresa da poco. “Siamo entusiasti delle nostre scoperte sull’estrema capacità di assorbimento di energia del nuovo materiale“, afferma Kang nella dichiarazione.
L’idea di un materiale in grado di superare le prestazioni dei caschi e dei paraurti delle auto di oggi ha stuzzicato la curiosità di Kang. Una delle principali aree di miglioramento è la deformazione, ovvero il modo in cui la forza di un impatto spinge il materiale fuori forma. Pensa alla “zona di deformazione” di un’auto, che è letteralmente progettata deformarsi assorbendo l’impatto; non puoi “riutilizzare” quella parte dell’auto in seguito, specialmente negli incidenti ad alta velocità.
“Molti caschi e materiali che assorbono gli urti dissipano energia attraverso meccanismi anelastici, come la deformazione plastica, la frattura e la frammentazione. Tuttavia, questi materiali possono danneggiarsi in modo permanente dopo un uso una tantum e non sono adatti per un uso ripetuto“, scrivono i ricercatori.
Quindi, se i meccanismi non riutilizzabili sono anelastici – il che ha senso, l’opposto di elastici e quindi incapaci di “riprendersi” – come facciamo a produrre qualcosa che funziona in modo diverso? È qui che entra in gioco l’idea dei metamateriali. Un metamateriale è qualcosa progettato con cura su microscala per avere proprietà che un semplice strato di compensato o metallo non avrebbe. L’obiettivo è creare funzionalità migliori a partire dal livello atomico.
I ricercatori spiegano che la chiave è qualcosa chiamato “instabilità di deformazione elastica“, che puoi pensare come una specie di rimbalzo a livello atomico. Pensa a una grande molla, che si piega sotto pressione, ma poi riprende la sua forma. L’idea dell’instabilità non deve necessariamente essere una deformazione unidirezionale che distorce permanentemente il materiale. Può immagazzinare l’energia cinetica ed utilizzarla per “rimbalzare” il materiale alla sua vera forma. “Questo meccanismo di intrappolamento dell’energia strutturale è scalabile e reversibile, il che rende il materiale progettato riutilizzabile“, spiegano i ricercatori.
Negli esperimenti, il team ha realizzato metamateriali chiamati elastomeri a cristalli liquidi (LCE). Questi materiali diffondono l’impatto e dissipano l’energia in modo ideale per la microstruttura necessaria nel design di un’armatura. “I materiali architettonici basati su LCE possono presentare molte opportunità promettenti per i metamateriali che assorbono energia per la protezione dagli urti e le applicazioni di smorzamento“, spiega il team. Durante il test, il materiale ha resistito bene agli impatti ripetuti di oggetti di peso compreso tra due e sette chili lanciati fino a 34 chilometri all’ora.