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Materiali solidi si comportano come liquidi

Saranno utilizzati per costruire muscoli e lenti artificiali

29 luglio, 18:50
Esperimento in un campione di cristalli liquidi nematici (fonte: O. Lavrentovich, LCI, Kent State University) Esperimento in un campione di cristalli liquidi nematici (fonte: O. Lavrentovich, LCI, Kent State University)

Materiali solidi che si comportano come liquidi: sono allo studio fra Italia e Stati Uniti e sono alla base delle tecnologie del futuro, dalla robotica alla bioingegneria per realizzare muscoli e lenti artificiali. La loro struttura microscopica e' stata esplorata grazie a un modello matematico al quale ha lavorato Pierluigi Cesana, durante il suo dottorato alla Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (Sissa) di Trieste.

Il ricercatore, che attualmente e' negli Stati Uniti, al California Institute of Technology (Caltech), ha lavorato ad una formula matematica che ha permesso di descrivere il comportamento, in particolari condizioni, delle molecole che costituiscono questi materiali, chiamati anche elastomeri nematici (Nlce). Definiti 'cristalli liquidi elastici', sono una classe di gel e gomme elastiche che nascono dalla combinazione di polimeri solidi con molecole di cristallo liquido. Sono materiali 'intelligenti' perche' non soltanto si comportano come liquidi pur essendo dei solidi, ma cambiano forma in presenza di campi elettrici o magnetici o in seguito a variazioni di temperatura.

''Per fare un esempio, deformando una strisciolina di Nlce tirandola alle estremita', le molecole si orientano lungo la direzione della deformazione. In questo modo - ha spiegato Cesana - il materiale risulta essere trasparente. Quando invece il campione viene rilasciato, il materiale 'rilassa' in modo tale che le molecole si dispongono in modo disordinato. In questa fase l'elastomero ha un aspetto lattiginoso. Secondo il linguaggio della statistica meccanica e' avvenuta una transizione di fase''.

Per questo studio Cesana ha ricevuto di recente il premio Indam-Simai (Istituto Nazionale di Alta Matematica - Societa' Italiana per la Matematica Applicata e Industriale), destinato alle migliori tesi di dottorato in matematica applicata. Il suo lavoro consiste nell'esplorare la fase di disordine molecolare di questi materiali. ''Ho dimostrato - ha proseguito - che la fase di disordine molecolare puo' essere riprodotta con una costruzione a mosaico. La particolarita' di questa costruzione e' che le molecole contenute in ogni tessera, a livello microscopico, sono allineate parallelamente lungo la medesima direzione''. D'altra parte, poiche' il modo in cui sono orientate le molecole cambia da tessera a tessera, a livello 'macroscopico', l'asse ottico non e' piu' definibile chiaramente, ''proprio come quando osserviamo un mosaico da una certa distanza e non riusciamo piu' a distinguere le singole tessere ma vediamo solo un risultato d'insieme''.

Giocando sulla geometria delle tessere di questa costruzione, ha aggiunto il ricercatore, si puo' dimostrare che l'elastomero mostra questa particolare microstruttura senza sforzo meccanico. ''Questo aspetto - ha concluso - ha un'interpretazione fisica suggestiva: poiche' il materiale elastico si deforma senza spesa energetica, abbiamo descritto il comportamento di un materiale solido che si comporta come se fosse liquido''.

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