Materiali

Da una collaborazione tra il Cnr e il gruppo Procter and Gamble (P&G) nasce una tecnica innovativa per studiare il comportamento di una vasta categoria di materiali, dai tessuti biologici a prodotti di largo consumo come detergenti e alimenti

Prodotti di uso quotidiano come shampoo e dentifrici, alimenti come yogurt e maionese e ancora tessuti biologici, come quelli epiteliali, sono esempi di ‘materiali soffici’, con proprietà intermedie tra lo stato liquido e quello solido.

Una tecnica innovativa, messa a punto tra Napoli e Cincinnati (Ohio, USA) da una collaborazione tra ricercatori dell’Istituto superconduttori, materiali innovativi e dispositivi (Spin) del Cnr di Napoli, il gruppo Procter&Gamble, l’Università Federico II di Napoli e la University of Cincinnati aiuta a comprendere come si muovono e si organizzano nel tempo le particelle che compongono questi materiali: si tratta della Differential Variance Analysis (DVA), una tecnica che consente di misurare e visualizzare l’evoluzione della microstruttura nel tempo.

Il nuovo metodo è descritto in un articolo pubblicato su ‘Scientific Reports’, rivista del gruppo ‘Nature’.(1) “La natura ‘ibrida’ e le peculiarità dei materiali soffici, percepibili anche al tatto, derivano dai moti collettivi delle particelle che li costituiscono. Questo processo, noto col nome di rilassamento strutturale, può ora essere visualizzato e misurato in maniera semplice e diretta”, spiega Raffaele Pastore (Spin-Cnr).

Per la maggior parte delle persone, quando si parla di cristalli si intendono diamanti, pietre dure o forse i cristalli di ametista o di quarzo amate dai collezionisti. Per Norman Yao, questi cristalli inerti sono solo la punta dell’iceberg.

Se i cristalli hanno una struttura atomica che si ripete nello spazio, come il reticolo di carbonio di un diamante, perché allora i cristalli non potrebbero avere una struttura che si ripete nel tempo?

Cioè un cristallo temporale?

In un documento presentato on line sulla rivista Physical Review Letters l’assistente professore di fisica della UC Berkeley descrive esattamente come creare e misurare le proprietà di tali cristalli e anche prevedere quali siano le varie fasi che dovrebbero circondare il cristallo temporale, simili alle fasi liquide e gassose nel ghiaccio.

Questo diagramma di fase mostra come il modificare i parametri sperimentali possa “fondere” un cristallo di tempo in un normale isolante o portarlo in uno stato termico ad alta temperatura. Grafica di Norman Yao.

Questa non è solo mera speculazione. Due gruppi hanno seguito le indicazioni di Yao ed hanno già creato i primi cristalli temporali.

Le leghe a memoria di forma sono materiali dalle caratteristiche sorprendenti in alcuni regimi di temperature sono elastici come le gomme, possono cioè essere fortemente deformati e comunque recuperare la forma originale una volta che il carico meccanico venga rimosso; in altri regimi di temperatura le deformazioni invece permangono dopo la rimozione del carico meccanico; tuttavia il materiale recupera la forma iniziale se sottoposto a un ciclo di riscaldamento e raffreddamento opportuno.

Alcune leghe metalliche a memoria di forma sono inoltre ferromagnetiche: deformazioni anche importanti possono essere attivate a distanza mediante l'imposizione di un campo magnetico. Questi straordinari effetti sono alla base dell'enorme interesse per questi materiali, che trovano applicazione in ambiti anche molto distanti, tra cui sensoristica, antisismica e aerospaziale. Un contesto di grande rilevanza che vede un massiccio impiego delle leghe a memoria di forma è la biomeccanica, dalle protesi vascolari alle guide medicali, fino agli apparecchi ortodontici.

Il progetto BioSMA si è concentrato sulla possibilità di modellizzare matematicamente alcuni aspetti del comportamento dei materiali a memoria di forma tutt'ora poco compresi e di grande rilevanza applicativa. Ci si è occupati della modellazione dell'accoppiamento degli effetti meccanici e termoelastici, dei fenomeni di fatica e danneggiamento e dell'effetto ferromagnetico.