Un gruppo di ricerca franco-tedesco ha realizzato un metamateriale che viola le classiche leggi sulla deformazione elastica dei corpi solidi rispondendo con una rotazione a una compressione dovuta a una forza esterna(red)
"Ut tensio, sic vis": ovvero "come l'estensione, così la forza". O, in termini più scientifici: "l'allungamento di un corpo elastico è direttamente proporzionale alla forza applicata a esso".
Questa semplice legge, formulata da Robert Hooke più di 350 anni fa, è rimasta valida per secoli. Ora però viene sfidata dai metamateriali, la cui struttura microscopica viene definita a tavolino incrociando conoscenze di matematica, fisica, scienze dei materiali e ingegneria per ottenere un comportamento desiderato.
Quello descritto su "Science" da Tobias Frenzel, del Karlsruhe Institute of Technology, in Germana e colleghi tedeschi e francesi è l'ultimo frutto di questa recente branca della ricerca: si tratta di un metamateriale in grado di ruotare su se stesso verso sinistra o verso destra in risposta a una compressione.
Rappresentazione schematica del metamateriale in sezione (a sinistra) e in vista frontale (a destra): quando si applica una compressione dall'esterno (freccine rosse in alto a destra) il materiale reagisce torcendosi (freccine blu tangenziali alla sezione, a sinistra) (Credit: T.v Frenzel et al, "Science" 2017)Una parte dei metamateriali realizzati finora sfrutta una struttura microscopica chirale, che cioè non è equivalente alla sua immagine allo specchio, come può essere un guanto destro rispetto a un guanto sinistro e viceversa.
In natura la chiralità è una proprietà fondamentale, scoperta solo di recente. Molte molecole possiedono infatti due enantiomeri, cioè due strutture tridimensionali che differiscono tra loro solo per il fatto di essere l'una l'immagine speculare dell'altra, come un guanto destro e uno sinistro. Alcuni decenni fa si pensava che gli enantiomeri di una molecola avessero le stesse proprietà. Ma così non è: in molti processi biologici per esempio solo una delle due forme è attiva, mentre l'altra, oltre a essere inattiva può essere addirittura dannosa.
Nello studio dei materiali, la chiralità è utile perché può essere sfruttata per far sì che strutture microscopiche ruotino su loro stesse in un verso prefissato una volta sottoposte a certi tipi di forze, producendo globalmente una violazione delle leggi fondamentali della deformazione dei corpi solidi. Un corpo costituito da un materiale ordinario, per esempio, si assottiglia se viene stirato, e si espande lateralmente se viene compresso.
Verso la fine degli anni ottanta, alcuni pionieristici lavori dimostrarono che è possibile realizzare un materiale con un comportamento opposto, che cioè si assottiglia quando viene compresso e si espande lateralmente quando viene stirato.
Nei metamateriali realizzati finora, però, la chiralità si manifestava soltanto a livello microscopico, e veniva soppressa su scala globale. Ciò invece non avviene nel caso del materiale realizzato da Frenzel e colleghi, che hanno progettato e realizzato unità di base di circa 100 micron di lato con una complessa geometria tridimensionale: ciascunaunità converte il moto lineare in una rotazione. Hanno poi impilato queste unità di base fino a ottenere una struttura tridimensionale, in grado di ruotare fino a 2° per ogni punto percentuale di deformazione lineare.
Si tratta di un notevole progresso nel campo dei metamateriali, anche se è gravato da alcuni importanti limitazioni. L'ostacolo maggiore da superare prima che il materiale possa essere utilizzato nelle applicazioni è dovuto al fatto che l'entità della rotazione sembra diminuire via via che le dimensioni del sistema aumentano, coerentemente con quanto dimostrato per altri metamateriali che perdono le loro proprietà quando si impilano tra loro molte unità di base.
