Materiali superleggeri: un grafene dieci volte più forte dell’acciaio

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Il Massachusetts Institute of Technology ha dato notizia di un importante conseguimento nel campo dei materiali superleggeri ad opera di un team di ricercatori del prestigioso istituto di Boston, i risultati sono stati presentati alla comunità scientifica in un articolo pubblicato su Science.grafene
Innanzitutto spieghiamo cos’è il grafene: si tratta di un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio (avente cioè uno spessore equivalente alle dimensioni di un solo atomo) che ha una resistenza pari a quella del diamante ma è flessibile come plastica.

Il problema con cui si confrontano i ricercatori che studiano la possibilità di applicazioni pratiche di questi materiali è passare dalla forma a due dimensioni (come abbiamo detto il grafene si presenta come fogli dello spessore di un atomo) a una forma tridimensionale.
Il team del MIT prima ha effettuato lo studio delle proprietà del materiale fino al livello del singolo atomo, poi basandosi su quanto appreso ha ideato una tecnica che essenzialmente consiste nel “fondere” assieme fiocchi di grafene utilizzando una combinazione di pressione e calore. La struttura stabile risultante ricorda quella di alcuni coralli e delle diatomee.

La fase successiva è stata scoprire come queste strutture potevano essere “lavorate” i ricercatori hanno utilizzato moltissimo modelli computerizzati per predire come il materiale si sarebbe comportato, ma hanno anche effettuato prove meccaniche e i risultati delle simulazioni e delle prove “reali” sono stati sempre concordanti. Uno dei campioni realizzati è risultato avere una densità pari al 5% di quella dell’acciaio ma una resistenza dieci volte maggiore.
Tutto sta nella geometria: i ricercatori hanno scoperto che il realizzare queste strutture tridimensionali partendo da materiali virtualmente bidimensionali sta tutto nelle particolari disposizione geometriche studiate grazie ai modelli computerizzati, uno dei ricercatori coinvolti nello studio Markus J. Buehler ha dichiarato: “potete utilizzare il grafene o usare la geometria che abbiamo scoperto con altri materiali, come polimeri e metalli.”

Invece lo studio del MIT ha escluso quello che precedentemente si riteneva possibile, creare dei materiali superleggeri con queste incredibili caratteristiche di resistenza e più leggeri dell’aria. Scendere ulteriormente sotto le densità già molto basse da loro raggiunte risulterebbe nel collasso della struttura sotto il peso stesso dell’aria che la circonda.

Le applicazioni sono molto varie, trattandosi di materiali porosi potrebbero essere usati in sistemi di filtraggio dell’acqua e di sostanze chimiche, mentre la forma geometrica scoperta che realizza materiali resistentissimi ma porosi e quindi più leggeri potrebbe essere impiegata nell’ingegneria civile in strutture come i ponti.

A dimostrazione dell’interesse suscitato dai materiali superleggeri per le applicazioni più svariate basta vedere chi ha finanziato questo studio condotto al MIT: si va dai militari con l’Office of Naval Research e la Multidisciplinary University Research Initiative del Dipartimento della Difesa, all’iniziativa di ricerca creata dall’industria chimica BASF in collaborazione con le principali università del Massachusetts, cioè il MIT, l’università di Harvard e l’Università del Massachusetts.

Roberto Todini

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