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Caldo e freddo: la sensibilità è una questione di geometria

Brescia, 23 dicembre 2019 – 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 dare una risposta è lo studio pubblicato dalla rivista scientifica britannica “Proceedings of the Royal Society A”: 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. Per questo risultato Diego Misseroni dell’Università di Trento, Luigi Cabras dell’Università di Brescia e Michele Brun dell’Università di Cagliari hanno ottenuto la copertina della rivista con il lavoro nel quale mostrano con degli esperimenti condotti all’Università di Trento su un prototipo di metamateriale come sia possibile controllare le deformazioni termiche.

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).

«In laboratorio – spiega il team – 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».

Tutti e tre gli autori hanno contribuito allo sviluppo del progetto di ricerca e alla stesura dell’articolo. In particolare, Diego Misseroni (ricercatore dell’Università di Trento – Dipartimento di Ingegneria civile, ambientale e meccanica) è stato il coordinatore degli esperimenti in laboratorio sul metamateriale, mentre Luigi Cabras (post-dottorando all’Università di Brescia – Dipartimento di Ingegneria meccanica e industriale) ha curato la parte numerica e Michele Brun (professore dell’Università di Cagliari – Dipartimento di Ingegneria meccanica, chimica e dei materiali) si è occupato dello sviluppo del modello matematico.

 

L’articolo

L'articolo (dal titolo “Micro-structured medium with large isotropic negative thermal expansion”) è stato pubblicato ieri, 18 dicembre 2019. Gli autori sono: Luigi Cabras, Michele Brun e Diego Misseroni.

Copertina, abstract e filmato con gli esperimenti sono disponibili all’indirizzo:

https://royalsocietypublishing.org/toc/rspa/2019/475/2232

https://dx.doi.org/10.1098/rspa.2019.0468

Lunedì, 23 Dicembre, 2019