da Hardware Upgrade :

Nodi come molle, o sospensioni.

Se dovessimo ridurre ai minimi termini la ricerca della Caltech usando un’immagine evocativa, potremmo dire che la recente scoperta nel campo dei nuovi materiali riguarda esattamente questo: le strutture composte da sottilissimi e microscopici nodi – più piccoli di un capello umano – sono più resistenti della loro controparte non annodata.

Questo perché i nodi al loro interno permettono ai materiali di assorbire più energia e di deformarsi di più, tornando integri alla loro forma originale una volta che la sollecitazione cessa.

I nuovi materiali annodati potranno trovare applicazioni in biomedicina e in applicazioni aerospaziali grazie alla loro durata, possibile biocompatibilità ed estrema deformabilità.

“La capacità di superare il compromesso generale tra deformabilità del materiale e resistenza alla trazione [ndr, la capacità di essere allungato senza rompersi] offre nuovi modi per progettare dispositivi estremamente flessibili, durevoli e in grado di funzionare in condizioni estreme”, ha affermato Widianto P. Moestopo, laureato al Caltech, ora ricercato al Lawrence Livermore National Laboratory.

Moestopo è l’autore principale dello studio Knots are not for naught: Design, properties, and topology of hierarchical intertwined microarchitected materials (ironicamente “I nodi non servono a niente: design, proprietà e topologia di materiali microarchitettonici intrecciati gerarchici”) pubblicato su Science Advances.

Moestopo ha contribuito a sviluppare il materiale nel laboratorio di Julia R. Greer, nome noto nel settore della creazione di materiali nano-architettonici, o materiali la cui struttura è progettata e organizzata su scala nanometrica, che di conseguenza esibiscono proprietà insolite, spesso sorprendenti.

“Imbarcarsi nella comprensione di come i nodi avrebbero influenzato la risposta meccanica dei materiali micro-architettonici è stata una nuova idea fuori dagli schemi”, ha dichiarato Greer. “Avevamo svolto ricerche approfondite sullo studio della deformazione meccanica di molti altri tipi di micro-tessuti, ad esempio reticoli e materiali intrecciati. Avventurarsi nel mondo dei nodi ci ha permesso di ottenere informazioni più approfondite sul ruolo dell’attrito e della dissipazione dell’energia, e si è rivelato significativo”.

Ogni nodo è alto e largo circa 70 micrometri e ogni fibra ha un raggio di circa 1,7 micrometri (~ 1/100 del raggio di un capello umano); questa è la prima volta che viene creato un materiale composto da numerosi nodi su questa scala e che si dimostra il valore potenziale dell’inclusione di questi nodi su scala nanometrica in un materiale, ad esempio per la sutura o il tethering in biomedicina.

I materiali annodati, che sono stati creati dai polimeri, mostrano una resistenza alla trazione che supera di gran lunga i materiali strutturalmente identici e/o a fili intrecciati, ma non annodati.

I materiali annodati hanno dimostrato di poter assorbire il 92% in più di energia e di resistere al doppio della trazione esercitata contro di loro prima spezzarsi, quando vengono tirati.

I nodi sono stati fabbricati in uno stato annodato utilizzando una litografia 3D avanzata ad alta risoluzione in grado di produrre strutture su scala nanometrica.

I campioni dettagliati nel documento Science Advances contengono nodi semplici: un nodo con una torsione extra che fornisce ulteriore attrito per assorbire maggiore energia mentre il materiale viene allungato.

In futuro, il team prevede di esplorare materiali costruiti da nodi più complessi.

Nodo di atomi

L’interesse di Moestopo per i nodi è nato dalla ricerca che stava conducendo nel 2020 durante i blocchi del COVID-19.

“Mi sono imbattuto in alcuni lavori di ricercatori che stanno studiando la meccanica dei nodi fisici in contrapposizione ai nodi in senso puramente matematico. Non mi considero uno scalatore, un marinaio o un matematico, ma ho fatto nodi per tutta la vita, quindi ho pensato che valesse la pena provare a inserire dei nodi nei miei disegni”

Se pensate che questi siano i nodi più piccoli al mondo, vi sbagliate: nel 2017 alcuni chimici dell’Università di Sydney sono riusciti a intrecciare un nodo di… atomi! 

Atomic knott

Anche in questo caso, la ricerca ha aperto varie strade verso la creazione di nuovi materiali.

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