Un nuovo metamateriale stampabile 3D progettato con proprietà countrointuitive sotto pressione si espande

Un uovo metamateriale stampabile 3D progettato con proprietà countrointuitive
Un team di ricercatori francesi e tedeschi presenta una soluzione di stampa 3D che è unica non solo per la tecnologia di stampa 3D, ma per i materiali fisici in generale. Hanno creato un nuovo tipo di meta-materiale composito, la cui struttura 3D lo fa comportare in modo contro intuitivo tanto che sembra andare contro le leggi della fisica. Il materiale si espande quando la pressione viene posta su di esso, invece di restringersi.

Questo progetto è stato realizzato dai membri dell’Istituto di Tecnologia di Karlsruhe (KIT) in Germania e presso il French National Center for Scientific Research e i risultati del loro lavoro sono stati pubblicati in Applied Physics Letters. Il materiale base utilizzato per il progetto è stato quello che, come quasi tutti i materiali, è compresso sotto pressione idrostatica, che viene indicato come avere una compressività statica efficace positiva. Il team ha voluto vedere se la stampa 3D potrebbe essere utilizzata per creare un nuovo materiale composito con una compressività statica efficace negativa.

Riferito a metamateriali tridimensionale poro elastici, il composto stampato in 3D che intendono produrre si espanderà efficacemente quando la pressione idrostatica di un gas circolante o di un liquido aumenta. Ovviamente nessuna legge universale fondamentale della fisica è in realtà violata, ma il comportamento misurabile del materiale dà l’impressione di un aumento del volume con un aumento della pressione che sembra violare le norme di conservazione e stabilità dell’energia.

La struttura del materiale è dove si nasconde il segreto delle sue proprietà apparentemente anti-intuitive. I ricercatori hanno utilizzato la tecnologia di stampa 3D per progettare una struttura incrociata 3-D, con membrane circolari ad ogni estremità della croce. Jingyuan Qu, uno studente di dottorato e ricercatore presso l’Istituto di Fisica Applicata e Istituto di Nanotecnologie del KIT, spiega che “a un tamburo, queste membrane si deformeranno verso l’interno se la pressione esterna è più grande della pressione nel volume chiuso all’interno della croce. Collegando correttamente queste membrane tramite barre e utilizzando otto croci tridimensionali in una sola unità, è possibile ottenere un aumento efficace del volume isotropo aumentando la pressione – una compressività efficace negativa “.
La struttura significa che il volume visibile del materiale aumenta sotto pressione, mentre il volume totale rimasto diminuisce, come ci si aspetterebbe. Il volume totale non è direttamente  percepibile, per questo il materiale si comporta nel modo sorprendente che sembra . Ora il comportamento del meta-materiale è stato testato con successo in un ambiente virtuale 3D, la squadra sta iniziando il processo per realizzare effettivamente il materiale. Il software di simulazione ha dimostrato che il materiale è stampabile in teoria, ma in pratica i dettagli specifici della struttura non sono stati precedentemente raggiunti.

I volumi nascosti del meta-materiale sono possibili solo utilizzando un processo di produzione addizionale, in contrapposizione alle tecniche di lavorazione convenzionali che si basano sulla rimozione del materiale per costruire questo tipo di strutture. Per questo motivo, la stampa 3D ha permesso di progettare un materiale così innovativo e potenzialmente realizzato per le misurazioni sperimentali effettive. Le tecniche di stampa 3D basate su laser, come SLS, sono in grado di costruire strutture a scala nanometrica, fondamentale per questo tipo di materiale. Il volume nascosto senza precedenti, la struttura chiusa che richiede questo meta-materiale, significa che sarà una sfida significativa per la tecnologia di stampa 3D.

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