Mechanical metamaterials

Metamateriali meccanici

Un importante campo di attività di NEWMATT concerne la progettazione, prototipazione e brevetto di metamateriali reticolari i tipo innovativo, che presentino moduli di elasticità a compressione ed a taglio regolabili in funzione delle dimensioni delle membrature e delle proprietà meccaniche dei materiali impiegati. Utilizzando analisi teoriche, simulazioni computerizzate e la fabbricazione di prototipi da sottoporre a test di laboratorio, NEWMATT sviluppa “metamateriali” reticolari, eventualmente alternati a strati in materiale rigido (quali, ad esempio, lamierini a), per formare compositi laminati di nuova generazione.

Una prima applicazione di tali metamateriali riguarda dispositivi conformati per essere posizionati alla base di un edificio che deve essere isolato da vibrazioni derivanti da movimenti sismici o di altra natura, e comprendenti una struttura stratiforme in cui uno strati di reticoli pentamode sono confinati tra elementi laminari in un materiale rigido. I reticoli pentamode sono formati da elementi modulari costituiti da quattro aste sghembe dello spazio tridimensionale concorrenti in un nodo e sono noti per possedere un solo modo di deformazione rigido e ben cinque modi di deformazione e rigidezza nulla o molto bassa. Quando vengono confinati tra piastre di irrigidimento, tali reticoli posseggono rigidezza e capacità portante nei confronti di carichi verticali e da flessione e notevoli capacità di isolamento da vibrazioni orizzontali e da torsione.

EVENTUALE TITOLO

Reticoli strutturali di tipo innovativo: (a) geometria dei reticoli e simulazione del comportamento meccanico; (b) prototipi in titanio ottenuti mediante stampa 3D.

Un ulteriore categoria di metamateriali progettati, prototipati e brevettati da NEWMATT riguarda materiali cellulari per l’isolamento termo-acustico, che siano formati da reticoli porosi a struttura aperta o chiusa con celle delle dimensioni micrometriche o nanometriche. Tali materiali vengono impiegati per la progettazione di pannelli con elevatissimo potere d’isolamento termo-acustico, grazie all’effetto Knudsen legato al cammino libero medio delle particelle d’aria all’interno del mezzo poroso. Si attende di raggiungere poteri d’isolamento termico anche inferiori ai 10 mW/(mK), contro un potere di isolamento pari a circa 30-50 mW/(mK) dei materiali d’isolamento termico più performanti attualmente disponibili in commercio (lana di vetro, pannelli in polistirene estruso o espanso, pannelli in poliuretano, cellulosa, sughero, ecc.). Anche in questo caso, le proprietà finali del materiale dipendono essenzialmente dalla geometria della sua microstruttura, piuttosto che dalla sua composizione chimica, e per la sua prototipazione possono utilmente impiegarsi processi di stampa 3d/4d a diverse scale.

I principali vantaggi degli isolatori pentamode rispetto agli isolatori sismici attualmente disponibili in commercio, quali, ad esempio, gli isolatori elastomerici in gomma e lamierini metallici,  sono legati al fatto che le proprietà meccaniche ed acustiche degli strati soffici di tali dispositivi dipendono principalmente dalla geometria dei reticoli pentamode, in misura prevalente rispetto alla natura chimica dei materiali impiegati (siano essi metallici, ceramici, polimerici o di altra natura); nonchè alla possibilità di adattare agevolmente le proprietà meccaniche degli isolatori pentamode a quelle della struttura da isolare, giocando sulla geometria del reticolo pentamode e sulla natura dei materiali impiegati, a differenza degli isolatori elastomerici, nei quali il raggiungimento di valori molto bassi del modulo di elasticità tangenziale si accompagna tipicamente ad una drastica riduzione della capacità portante verticale.

Si tenga anche presente che le proprietà degli isolatori pentamode possono essere regolate e misurate in maniera “dinamica”, disponendo opportuni sensori e/o attuatori in corrispondenza di elementi selezionati dei reticoli pentamode e che tali sistemi possono essere convenientemente fabbricati con moderne tecniche di stampa 3D, additiva o sottrattiva, a diverse scale, trasferendo elaborati di disegno computazionale assistito (“computer aided design” o CAD), prodotti da una fase preliminare di ottimizzazione della geometria e del materiale del dispositivo, ad una stampante 3D che impieghi uno o più materiali di stampa (materiali metallici, polimerici, ecc.).

Physical samples obtained through 3D printing.

Metamateriale cellulare a cella aperta o chiusa di dimensioni micrometriche o nanometriche per l’isolamento termico.

Messaggio di conclusione

Sriviamo qui il messaggio

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