Un metamateriale è una microstruttura composta da elementi più piccoli, come aste o piastre, che funziona come un materiale standard su scala maggiore, ma con proprietà controllate dal progettista. Questi materiali su piccola scala sono costituiti da blocchi identici e ripetitivi, chiamati celle unitarie.
Un materiale è auxetico quando, se compresso in una direzione, si contrae nelle altre direzioni, anziché espandersi, come avviene tipicamente per effetto Poisson. Analogamente, se allungato, si espande nelle altre direzioni, anziché contrarsi.
Il metamateriale brevettato dal gruppo di ricerca GAMOSINOS (Advanced Group for Nonlinear Modeling and Simulation of Solids) presso la Scuola Tecnica Superiore di Ingegneria Aeronautica e Spaziale (ETSIAE) può esibire proprietà sia auxetiche che non auxetiche a seconda della configurazione. "Il principale vantaggio della nostra invenzione è la possibilità di modificare le proprietà meccaniche senza alterare la forma della cella, consentendo così di riprodurre con estrema facilità componenti con proprietà variabili. Ciò si ottiene variando i collegamenti verticali e laterali tra le celle, realizzati tramite barre che possono essere connesse a diversi nodi. Questa variazione genera configurazioni differenti con proprietà meccaniche diverse", spiegano i ricercatori del Politecnico di Madrid (UPM).
Data questa configurazione, il suo potenziale risiede nell'offrire una maggiore resistenza ai danni da impatto rispetto ad altri materiali attualmente disponibili. "Pertanto, potrebbe essere altamente applicabile nel settore aerospaziale per migliorare le prestazioni di vari componenti e persino ridurne il peso. Può essere utilizzato come materiale di riempimento per le celle del bordo d'attacco in aerei e turbine eoliche, che devono essere resistenti agli urti e a celle aperte per impedire l'accumulo di acqua. Attualmente, alcune di queste celle sono riempite con pannelli sandwich in schiuma, che presentano il problema dell'accumulo di acqua che non può essere facilmente rimossa. Questi componenti possono subire, ad esempio, l'impatto di un uccello o di un proiettile, oppure essere danneggiati dal congelamento dell'acqua intrappolata", spiega GAMOSINOS.
“Nello specifico, le pale degli elicotteri o delle turbine eoliche, che in genere sono anch'esse pannelli sandwich riempiti di schiuma, possono essere migliorate con questo metamateriale. Allo stesso modo, i radome di prua degli aerei devono essere permeabili alle radiazioni perché di solito ospitano le antenne radar anteriori, ma allo stesso tempo devono offrire una buona resistenza a un possibile impatto. Questi sono gli aspetti su cui il gruppo di ricerca sta attualmente lavorando”, concludono.
Contesto dell'invenzione
L'invenzione nasce dal progetto di tesi di laurea di Guillermo Gómez Carano, inventore del metamateriale insieme a Luis Saucedo Mora, Miguel Ángel Sanz Gómez e Francisco Javier Montans Leal, tutti membri del gruppo di ricerca GAMOSINOS. Guillermo Gómez Carano sta attualmente completando il Master in Matematica Industriale (MUMI), un programma di studi post-laurea interuniversitario offerto dall'ETSIAE (Facoltà di Ingegneria Aerospaziale), e lavora contemporaneamente come ingegnere dei dati presso l'azienda WhiteBox.
L'ottenimento del brevetto ha richiesto più di un anno a causa della necessaria revisione esterna per dimostrarne l'originalità rispetto ai brevetti esistenti, secondo diversi database internazionali.
La ricerca su questo metamateriale prosegue all'interno del gruppo GAMOSINOS. José María Benítez Baena, Laura Moreno Corrales, Ismael Ben-Yelun Insenser e Ricardo Callado Sanz collaborano al suo sviluppo e alla sua implementazione, che comprendono sia la validazione sperimentale che studi numerici per la sua integrazione in strutture ottimizzate.
Questo lavoro rientra anche nel progetto europeo XS-Meta, coordinato dal gruppo dell'ETSIAE, con la partecipazione di ENSAM e GT-Lorraine in Francia, NUIG in Irlanda, RWTH Aachen University in Germania, University of Florida e Georgia Tech negli Stati Uniti e INTA in Spagna. Beneficia inoltre della collaborazione di OXMET (Inghilterra), XEV (Italia) ed ESI (Francia), aziende specializzate in diversi settori legati ai metamateriali e alla stampa 3D, dagli impianti ai veicoli elettrici e all'industria aerospaziale. Il progetto XS-Meta si propone di sviluppare nuovi metamateriali e processi di calcolo strutturale per la stampa 3D. La ricerca si concentra sui difetti di stampa 3D, nonché su diverse tecniche di progettazione generativa, analisi multiscala e caratterizzazione dei componenti.
