Realizzare un materiale in grado di modificare la propria rigidità a comando, derivando da questo un tessuto che passi da morbido e pieghevole a rigido e portante, in modo controllabile: è il nocciolo di una recente ricerca che vede insieme il California Institute of Technology e il Jet Propulsion Laboratory, centro di ricerca e sviluppo della NASA.

TAKEAWAY

• La scienza dei materiali si occupa della trasformazione delle proprietà dei materiali esistenti in natura, al fine di renderli tecnologicamente avanzati e capaci di rispondere a sempre nuove applicazioni.
• Tra i tessuti intelligenti messi a punto dalla ricerca nel campo della scienza di materiali, figurano anche i “tessuti strutturati”, caratterizzati da fogli intrecciati o da armature a catena.
• Ne sono un esempio quelli sviluppati dal California Institute of Technology e dal Jet Propulsion Laboratory, che aprono inediti scenari in campo medico e nell’ambito della ricerca sulle superfici intelligenti.

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Trattare di scienza dei materiali e tessuti intelligenti rimanda allo studio che ha come oggetto la trasformazione delle proprietà dei materiali esistenti in natura (tra cui metalli, ceramiche, polimeri e biomateriali), al fine di renderli tecnologicamente avanzati e capaci di rispondere a molteplici necessità e applicazioni.

Insieme a discipline quali chimica, fisica e ingegneria meccanica ed elettronica, la scienza dei materiali – lo ricordiamo – supporta le nanotecnologie nella realizzazione di prodotti e dispositivi radicalmente nuovi, attraverso metodi e tecniche per la manipolazione della materia su scala dimensionale inferiore al micrometro.

Tra i tessuti intelligenti figurano quelli sviluppati con tecnologie tali da renderli capaci, ad esempio, di illuminarsi, di cambiare colore o di raccogliere energia dall’ambiente, i tessuti “adattivi” – in grado di abbassare, in presenza di climi caldi, la temperatura di chi li indossa e di tenere al caldo quando, invece, fa freddo – i tessuti che controllano le contrazioni muscolari, i tessuti per proteggersi dai rischi ambientali estremi – come le radiazioni e gli effetti dei viaggi nello spazio – e, infine, anche i “tessuti strutturati”, caratterizzati da fogli intrecciati o da armature a catena, che derivano le loro proprietà sia dai materiali costitutivi che dalla loro geometria. Come quelli messi a punto dagli ingegneri del California Institute of Technology (CalTech) e del Jet Propulsion Laboratory (JPL) – centro di ricerca e sviluppo della NASA, in California – al centro di uno studio reso pubblico l’11 agosto 2021 su Nature.

Scienza dei materiali e tessuti intelligenti: focus sui materiali ispirati alle maglie di ferro

In tema di scienza dei materiali e tessuti intelligenti, quello che il team del CalTech ha realizzato è un materiale ispirato alla “cotta di maglia”, in quanto – proprio come l’armatura “a veste”, formata da anelli di ferro, anticamente utilizzata per proteggere il corpo dei combattenti – è in grado di trasformarsi, sotto pressione, da uno stato pieghevole a forme solide.

Chiara Daraio, della Division of Engineering and Applied Science del California Institute of Technology e tra gli autori dello studio, precisa:

“Volevamo realizzare un materiale in grado di modificare la rigidità a comando, derivando da questo un tessuto in grado di passare da morbido e pieghevole a rigido e portante, in modo controllabile. Di materiali che cambiano proprietà in modo simile, ne esistono già intorno a noi. Pensiamo al caffè nel suo contenitore sigillato sottovuoto: quando è confezionato, è solido. Ma, non appena apriamo la confezione, i fondi di caffè non si incastrano più l’uno contro l’altro ed è possibile versarli come se fossero un fluido“

I singoli fondi di caffè, così come le particelle di sabbia, possiedono forme complesse e allo stesso tempo “sconnesse”, ossia capaci di modificare le loro proprietà se vengono compressi. Fogli di anelli di ferro collegati, invece, possono incastrarsi insieme sia sotto compressione che sotto tensione (cioè quando spinti insieme o separati): “questa è stata, per noi, la chiave” spiega Daraio.

I materiali a cotta di maglia si adattano a forme complesse, ma quando viene esercitata una pressione ai loro bordi, le particelle di cui sono formati si intrecciano e la maglia di ferro si inceppa. A tale riguardo, il gruppo di studio fa notare che, solo con una piccola pressione esterna, i fogli diventano addirittura venticinque volte più rigidi rispetto alla loro configurazione rilassata.

Questo aumento della resistenza alla flessione si verifica perché le particelle a incastro hanno un’elevata resistenza alla trazione, a differenza di quanto accade con i materiali granulari sciolti. E proprio su tali materiali si sono concentrati i ricercatori del Caltech.

In particolare, il team – a proposito di scienza dei materiali e tessuti intelligenti – ha sperimentato una serie di configurazioni di particelle collegate, tra cui quelle ad anelli a ottaedri, dove l’ottaedro è un poliedro con otto facce triangolari.

Tali configurazioni – composte da polimeri e persino da metalli – sono state dapprima stampate in 3D e poi sono state oggetto di simulazione al computer per mezzo di un modello sviluppato da George W. Housner, professore di Ingegneria Civile e Meccanica presso il CalTech, nonché esperto nella modellazione di materiali granulari, il quale fa notare:

“Nei materiali granulari, semplici interazioni possono portare a un comportamento strutturalmente complesso. E in questa applicazione a catena, la capacità di trasportare carichi di trazione è stata un punto di svolta. È come avere una corda capace di sopportare carichi di compressione”

Gli ingegneri hanno poi applicato alle configurazioni di particelle collegate uno stress esterno, comprimendo i tessuti utilizzando una camera a vuoto oppure facendo cadere un peso per verificare l’inceppamento del materiale. Ebbene, i tessuti che hanno mostrato le maggiori variazioni nelle proprietà meccaniche (da flessibili a rigidi) sono stati quelli con un numero medio maggiore di contatti tra le particelle.

Le potenziali applicazioni dei materiali dalle proprietà meccaniche regolabili

Il lavoro del team del California Institute of Technology in tema di scienza dei materiali e tessuti intelligenti fornisce un percorso, una via verso i tessuti adattivi in ambito medico, con potenziali applicazioni per esoscheletri o per la realizzazione di gessi capaci di regolare la propria rigidità man mano che la frattura del paziente guarisce.

Inoltre, quando irrigidito, il materiale dalle proprietà meccaniche regolabili ha il potenziale per fungere anche da ponte robusto, andando, così, ad arricchire il terreno di ricerca sulle superfici intelligenti, in grado di cambiare forma e di assumere configurazioni specifiche a comando.

In particolare, Chiara Daraio cita l’esempio del ponte “che potrebbe essere srotolato e poi attraversato”, immaginando di fare passare dei cavi attraverso il materiale, i quali poi, “una volta tirati, incastrano le particelle di cui è composto”.

A tale proposito, Daraio ha recentemente dimostrato un metodo per controllare la forma di una superficie incorporando reti di elastomeri a cristalli liquidi sensibili al calore, sottili strisce di polimero che si restringono quando vengono riscaldate.

Nel dettaglio – spiega la ricercatrice – queste reti di elastomeri a cristalli liquidi contengono bobine di riscaldamento estensibili, ricaricabili con corrente elettrica che le riscalda e le fa contrarre: a questo punto, quando sono contratte, “tirano” il materiale flessibile in cui erano incorporate e lo comprimono in una forma solida prestabilita.