I ricercatori dell’ETH hanno creato un nuovo materiale composito che combina due caratteristiche incompatibili: rigidità e capacità di smorzamento

I ricercatori del Politecnico federale di Zurigo hanno sviluppato un materiale composito che riesce a combinare estrema rigidità e capacità di smorzare vibrazioni e rumore, due proprietà decisamente incompatibili. Il nuovo materiale è un laminato composto di strati di vetro o silicio collegati da sottilissimi strati di un polimero simile alla gomma, e si è dimostrato eccellente nello smorzare le vibrazioni e il rumore.

Questo nuovo materiale composito, facilmente riciclabile e frutto di un processo di produzione scalabile, potrebbe trovare impiego in molti settori, tra cui l’edilizia, l’ingegneria meccanica, l’industria aerospaziale e lo sviluppo di sensori.

Nuovi materiali per abbattere le vibrazioni

Compressori che ronzano, condizionatori che sferragliano, cruscotti che vibrano possono provocare un certo fastidio. Vibrazioni e oscillazioni, però, possono essere anche molto dannose: col passare del tempo, infatti, possono arrivare a distruggere edifici e macchinari, riducendone drasticamente la vita utile. Il rumore generato dalle vibrazioni, inoltre, è dannoso per la salute e il benessere delle persone.

Per attenuare le vibrazioni e il rumore, gli ingegneri utilizzano materiali smorzanti come schiume, gomma ed elementi meccanici come molle o ammortizzatori. Spesso, però, queste applicazioni sono ingombranti, pesanti e costose. Inoltre, non sempre è possibile sopprimere efficacemente le vibrazioni utilizzando elementi smorzanti montati a posteriori. L’ideale sarebbe avere a disposizione materiali rigidi, portanti e dotati di efficaci capacità di smorzamento interno. La crescente domanda mondiale di materiali di questo tipo, però, deve confrontarsi con una sfida sostanziale: rigidità e capacità di smorzare le vibrazioni sono proprietà incompatibili.

I ricercatori di materiali dell’ETH sono riusciti a combinare queste proprietà apparentemente incompatibili in un nuovo materiale composito. Ioanna Tsimouri ha realizzato questa impresa nella sua tesi di dottorato con l’assistenza di Andrei Gusev e Walter Caseri, professori del Dipartimento di Materiali. Il suo lavoro ha portato allo sviluppo di nuovi materiali costituiti da strati rigidi e strati ultrasottili simili alla gomma, formati dalla reticolazione di una miscela di polidimetilsilossano (PDMS). Brevettati all’inizio dell’estate, questi nuovi materiali sono oggetto di un articolo pubblicato sulla rivista Composites Part B: Engineering.

Come è nato il laminato di “gomma” e silicio dell’ETH

Inizialmente, i ricercatori hanno utilizzato dei modelli di simulazione per calcolare lo spessore degli strati di collegamento (quelli simili alla gomma) per ottenere contemporaneamente un’elevata rigidità e una buona capacità di smorzamento. Questi calcoli hanno rivelato che è necessario applicare un rapporto molto specifico per riuscire ad avere quelle caratteristiche: gli strati di polimero smorzante devono costituire meno dell’1% del volume totale del materiale, mentre gli strati di vetro rigido o di silicio devono superare il 99%. Come spiega Tsimouri,

“L’effetto smorzante è minimo se lo strato polimerico è troppo sottile. Se è troppo spesso, invece, il materiale non è abbastanza rigido”.

In una seconda fase, gli scienziati hanno verificato i calcoli in laboratorio, producendo diverse varianti del materiale composito. Il materiale utilizzato per gli strati rigidi includeva del vetro del tipo utilizzato negli smartphone, mentre la “gomma” è costituita da una miscela di polimeri a base d PDMS con siti chimicamente reattivi. Quando si aggiunge un catalizzatore, questi siti reattivi si combinano per formare una rete polimerica, cioè un polimero simile alla gomma che collega le piastre rigide come una sigillatura a due componenti.

Il nuovo materiale del Politecnico di Zurigo che ferma rumore e vibrazioni

I test in laboratorio e la questione dello spessore

Con l’aiuto del britannico Peter Hine, la ricercatrice ha quindi testato le proprietà meccaniche dei materiali stratificati (o laminati). Durante uno dei test, ha fatto cadere le lastre di laminato da un’altezza di 25 centimetri su un tavolo e ha confrontato lo smorzamento acustico e meccanico con quello di una lastra delle stesse dimensioni realizzata in vetro.

Il laminato ha rivelato eccellenti proprietà di smorzamento, ma anche di stabilità. L’impatto con il tavolo è stato molto più silenzioso e non ha rimbalzato. Il vetro puro, invece, ha colpito il tavolo con un forte impatto, è rimbalzato e si è capovolto. “Con questo test”, afferma Tsimouri, “ho potuto dimostrare che il laminato è eccellente nello smorzare le vibrazioni e il rumore”. Come ricorda la ricercatrice,

“Dopo aver trovato una miscela di polimeri PDMS che dà luogo a un polimero simile alla gomma con prestazioni di smorzamento migliorate in un’ampia gamma di temperature, la difficoltà maggiore è stata quella di creare lo strato simile alla gomma nello spessore desiderato”.

Poiché i polimeri reagiscono rapidamente dopo l’aggiunta del catalizzatore, Tsimouri ha dovuto sviluppare un processo speciale per applicare le soluzioni ai dischi di vetro o di silicio. Ha inoltre trascorso molto tempo a controllare lo spessore degli strati. Per farlo, ha dovuto produrre sezioni trasversali del laminato ed esaminarle al microscopio elettronico a scansione. “È stato un lavoro estremamente lungo”, ricorda l’autrice dello studio.

Una tecnologia sostenibile e facilmente scalabile

Secondo i ricercatori, questo laminato potrebbe essere utilizzato in molte applicazioni: dal vetro delle finestre all’alloggiamento delle macchine, dalle componenti delle automobili alla tecnologia dei sensori, dove i materiali smorzanti avanzati sono molto richiesti. Si tratta di un mercato enorme, sottolineano i ricercatori.

Il laminato sviluppato all’ETH ha anche un altro vantaggio: il polimero utilizzato è resistente alla temperatura e può sopportare un’ampia gamma di temperature senza alcuna variazione delle sue proprietà di smorzamento. Diventa vetroso, perdendo la sua capacità di smorzamento, solo al di sotto di una temperatura di meno 125 gradi.

Un materiale di questo tipo, inoltre, sarebbe sostenibile: il vetro e il silicio, infatti, possono essere riciclati senza difficoltà, mentre le piccole quantità di polimero si decompongono in vetro e non influiscono sul processo di riciclo. Il Professor Walter Caseri ritiene che la tecnologia sia anche facilmente scalabile:

“Il processo di produzione non è così complicato: con le macchine giuste è possibile produrre il laminato anche in pannelli di dimensioni di diversi metri quadrati”.

Come si legge nello studio, il nuovo materiale composito e il suo processo di fabbricazione scalfiscono appena la superficie del grande potenziale dei materiali leggeri altamente rigidi e con buone capacità di smorzamento. La ricerca su questi nuovi compositi funzionali è appena iniziata.

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