La sensibilità al caldo e al freddo di un oggetto è una questione di geometria
Uno studio di tre ricercatori italiani apre prospettive promettenti per la realizzazione di nuovi materiali
[19 Dicembre 2019]
Lo studio “Micro-structured medium with large isotropic negative thermal expansion”, realizzato dagli italiani Luigi Cabras, Michele Brun e Diego Misseroni, ha conquistato la copertina di Proceedings of the Royal Society A perché «Ha dimostrato che il controllo delle deformazioni termiche di un oggetto può avvenire progettando in modo opportuno la configurazione geometrica della sua microstruttura. Intervenire su di essa permette di rendere un dispositivo “insensibile” o “molto sensibile” alle variazioni di temperatura»-
Misseroni (università di Trento – Dipartimento di Ingegneria civile, ambientale e meccanica) è stato il coordinatore degli esperimenti in laboratorio sul metamateriale, Cabras (università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria meccanica e industriale) ha curato la parte numerica Brun (università di Cagliari – Dipartimento di Ingegneria meccanica, chimica e dei materiali) si è occupato dello sviluppo del modello matematico, e spiegano che «Dalla caldaia di casa al motore dell’auto, dagli impianti d’irrigazione ai dispositivi di chiusura per il settore aerospaziale. A garantire il buon funzionamento di questi e di altri sistemi sono gli attuatori termici, piccoli componenti elettromeccanici molto sensibili alle variazioni di temperatura. La loro risposta fa aprire e chiudere valvole, accendere e spegnere interruttori ed eseguire una serie di altri compiti meccanici. Si tratta di un’esperienza che appartiene alla vita quotidiana. Finora si associava l’attitudine di un corpo a modificare il proprio volume al variare della temperatura solamente al tipo di materiale utilizzato, mentre non si sapeva che questa potesse essere controllata progettando la geometria della microstruttura».
A rispondere a queste domande è il nuovo studio: «Il controllo delle deformazioni termiche di un oggetto non deriva esclusivamente dal materiale usato per costruirlo, ma anche dalla geometria della sua microstruttura. Intervenire su di essa permette di rendere un dispositivo “insensibile” o “molto sensibile” agli effetti termici». Il lavoro di Misseroni, Cabras e Brun dimostra, con degli esperimenti condotti all’università di Trento su un prototipo di metamateriale, come sia possibile controllare le deformazioni termiche e all’UniTrento sono convinti che «I risultati della ricerca congiunta aprono prospettive promettenti per la realizzazione di nuovi materiali da impiegare sia in ambiti dove le deformazioni termiche rappresentano un rischio, e quindi devono essere minimizzate (è il caso di componenti meccanici, ottici ed elettronici ma anche di strutture civili), sia in ambiti in cui tali deformazioni sono vantaggiose (come gli attuatori termici in generale e, in particolare, quelli a elevate prestazioni che integrano circuiti elettronici con dispositivi optomeccanici)».
I tre ricercatori italiani, che hanno pubblicato anche un video sugli esperimenti realizzati, concludono: «In laboratorio abbiamo progettato, realizzato e testato un metamateriale (materiale artificiale) il cui comportamento macroscopico non dipende solo dal materiale usato ma anche, e soprattutto, dalla configurazione geometrica della sua microstruttura. Apportare dei cambiamenti a essa permette di controllare e modificare a piacimento l’entità e il segno delle deformazioni termiche e riuscire ad annullarle qualora necessario».