Metamateriali

Nell'utilizzare i materiali, la natura utilizza dei concetti che in certo senso “spiazzano” la nostra conoscenza di base sul loro comportamento. Si possono eseguire delle prove per caratterizzare i materiali ed i componenti, ma ci sono alcune considerazioni generiche che si danno per scontate prima che alcuna misura sia effettuata. Sono comuni esperienze che tirando un elastico di gomma, esso si assottigli; oppure che un raggio di luce, penetrando dentro un materiale, come il vetro di una lente, od un liquido, come l'acqua, viene deviato (rifratto) all'interno del materiale stesso; o ancora, che una gocciolina d'acqua sulla superficie di un materiale assume una forma più o meno sferica, che le permetta una certa coesione con la superficie stessa, in modo da condensarvisi. Se si sa qualcosa di più sui materiali, in particolare sul loro elettromagnetismo, si ricorderanno anche altre proprietà: per esempio che in un conduttore elettrico (per esempio, il rame) o in un materiale magnetico naturale (o ferromagnetico: per esempio, il ferro), a parità di campo elettrico o magnetico applicato, quello che viene trasmesso dipende rispettivamente dalla permettività elettrica (ε, epsilon) e dalla permeabilità magnetica del materiale stesso (μ, mu).

Tuttavia, più recentemente, si è scoperto che ci sono dei materiali che hanno anche il comportamento inverso rispetto alla logica: i materiali auxetici, di cui dicevamo poco sopra, si rigonfiano se tirati; le pellicole basate sul loto hanno una tensione superficiale negativa e sono perciò autopulenti; l'opale a determinate frequenze ha un indice di rifrazione negativo, quindi significa che il raggio luminoso a certe frequenze esce dal materiale e viene respinto (con un percorso in realtà piuttosto tortuoso che lineare). Ci sono anche dei materiali come quello in figura, che hanno permettività elettrica o permeabilità magnetica negativa, sicché il campo elettrico o magnetico sono in pratica riflessi, anziché trasmessi, dal materiale. Questo è molto diverso dall'avere degli isolanti, o dielettrici, che sono soltanto dei materiali cattivi conduttori, quindi con elevate perdite (ma anche con una certa trasmissione), perché consente di avere una vera e propria schermatura totale di certe frequenze.

Queste soluzioni di design contrarie alla logica possono essere indicate genericamente come metamateriali (al di là dei materiali), il che può essere interpretato anche nel senso che dipendono dalla micro- o nanostruttura che i materiali hanno, oltre che dal materiale (è evidente che la spirale quadrata del materiale in figura è la chiave del suo funzionamento come metamateriale).

Viti, temperalapis ed eliche

Una cosa che diamo per scontato è di avvitare facendo un movimento di torsione del polso. Questo accade perché le viti hanno un filetto elicoidale, ad elica cilindrica, come per esempio le viti passanti, che vengono poi fermate da un dado o da un sistema dado-rosetta, oppure ad elica conica, come le viti da legno.
Le viti hanno una storia antichissima, che comincia, si dice, con Archita di Taranto, nel IV secolo avanti Cristo, e prosegue con la vite di Archimede o coclea, che, con ben altre dimensioni ovviamente, serviva (e serve) per estrarre l'acqua, ma con principi molto simili, serve ancora per la foratura del terreno. E non è che la punta del trapano, a parte la sua maggior velocità, abbia forma diversa.
Questo fa parte di un concetto più generale, che è tipicamente biomimetico. La natura lavora auto-assemblando i materiali con strutture elicoidali, cioè a spirale (nella foto si vedono delle fibrille spiraliformi che si staccano col taglio dal tessuto vegetale del sedano), quindi la vite di Archita, dovendo forare il legno, non poteva far altro che proporre un movimento elicoidale, che si adattasse alla disposizione della microstruttura del materiale. Non è un principio poi così strano: una delle macchine primitive che tuttora utilizziamo molto, il temperalapis, è basata sullo stesso principio, quello di applicare una forza di torsione per tradurla in un taglio effettuato con una lama orizzontale (e non è un caso, perché la matita è di legno).
Nel caso del temperalapis come della vite, la forza necessaria al taglio od alla perforazione dev'essere ottimale nè troppo alta, il che danneggerebbe la struttura, né troppo bassa, nel qual caso l'operazione non riuscirebbe.

Favole, materiali e scarti

Prendiamoci una pausa quasi di riposo, ma solo in apparenza: se pensate ad una favola tradizionale, come quella dei Tre Porcellini, vi rendete forse conto che parla di tre materiali da costruzione, i mattoni, quindi l'argilla, materiale ceramico, il legno, materiale composito naturale, e la paglia, materiale di scarto da qualche mietitura.
La favola, come ricordate certamente, si conclude con una patente di nobiltà data ai mattoni (e quindi al porcellino “utente”) rispetto al legno ed ancor più rispetto alla paglia. In pratica, perché c'è un significato morale in tutto questo, si premia il tempo e la fatica, che è cura ed attenzione, che porta ad usare i mattoni (che non si trovano in natura: occorre ovviamente compattare l'argilla, poi cuocerla in un forno per ceramici e farla raffreddare) invece del legno (che nemmeno si trova in natura sotto forma di assi e travi, ma va tagliato dall'albero, rimuovendo poi le parti non strutturali, come corteccia e resina, e portato in una segheria per fargli prendere la forma di semi-lavorato che si desidera: si possono anche usare tronchi interi, ma anch'essi vanno “puliti” e possibilmente trattati) e “peggio” della paglia (che invece si trova in natura, perché è uno scarto di un'altra lavorazione naturale).
Il concetto che lo scarto sia di per sé “cattivo” è un prodotto della nostra cultura industriale, che la natura non ammette. In un'ottica ambientale, il porcellino “pigro” è quello che fa la cosa giusta, cioè utilizza il materiale di scarto. Gradatamente gli ingegneri dei materiali si stanno lentamente volgendo all'utilizzo di ogni sorta di materiali di scarto per ottenere con adeguata compattazione altri materiali, per esempio ceneri di termovalorizzatori, isolanti di cavi, crusca di riso, scorze di frutta secca, ecc. Questo fa capire che anche la paglia, oltre che biodegradabile, sarebbe un materiale buono quanto i mattoni ed il legno per costruire una piccola casetta, come quella dei porcellini, ma naturalmente andrebbe in qualche modo legato, congiunto (magari compattato sotto pressione, come negli esempi precedenti). Nel caso specifico, il porcellino pigro ma proto-ambientalista sta forse per essere riscattato: all'università di Bath sta venendo su la cosiddetta Bale house, fatta di paglia e canapa, per fini sperimentali, a dimostrare che il problema non è il materiale, ma come viene assemblato. Come dice il Vangelo “La pietra scartata dai costruttori è divenuta testata d'angolo” (certo, bisogna sapere come metterla insieme al resto, quella "pietra").

Superfici regolari, superfici frattali e superfici naturali

Se si guardano le strutture naturali dall'alto, in modo da averne una visione bidimensionale, ci si rende subito conto che possono avere tre diversi tipi di struttura:
1. Regolare, con simmetria poligonale, come gli esagoni dei nidi d'ape, oppure circolare, come i cerchi tutti dello stesso diametro dei frustuli delle diatomee.
Questo accade dove siano necessarie operazioni ripetitive, come l'accumulazione dei prodotti nutritivi nelle cellette, per i nidi d'ape, oppure il filtraggio della luce solare in modo da trattenere una sola frequenza, e quindi massimizzare il rendimento, come nel caso delle diatomee. A volte le due esigenze si compenetrano, e quindi si hanno doppie simmetrie sovrapposte, circolare ed esagonale, come nella diatomea in figura (a sinistra).
2. Statisticamente irregolare, come per esempio le strutture cellulari delle piante:
il parenchima, che costituisce in prevalenza la polpa di frutti e tuberi è formato da cellule poligonali con una media di 12.8 lati, il che significa in pratica che la terza dimensione comincia ad avere una sua importanza, e i "difetti" che si generano nella crescita del tessuto cellulare, man mano che interagisce con l'ambiente, vengono "corretti" con ispessimenti ed assottigliamenti delle pareti cellulari, come abbiamo già visto in precedenza in questo blog.
3. Frattali, laddove la struttura sia totalmente cristallina e quindi non tolleri nessuna pur piccola modificazione o deformazione in corso d'opera, come nel caso dei fiocchi di neve. La caratteristica della simmetria frattale è quella dell'infinita ripetizione nello spazio in tutte le direzioni, anche ad un livello nanometrico, dovuta all'elevato livello di curvatura delle superfici. E' interessante notare come in realtà le strutture frattali, come la struttura di Kagome in figura (a destra) sono sempre e comunque costituite macroscopicamente da un insieme di simmetrie semplici.
Dall'insieme di queste considerazioni, si vede come in realtà quel che accade è il graduale passaggio dalla bidimensionalità alla tridimensionalità in natura, e quindi quelle che sembrano apparentemente tre filosofie costruttive, sono in realtà la stessa: la natura passa dal piano allo spazio attraverso un'infinita serie di stadi intermedi. E, per essere più precisi, non si ferma alla tridimensionalità, ma in realtà passa anche a dimensioni successive, che possono essere infinitamente piccole (o compresse) nella forma dell'oggetto. Ma quest'inseguimento per le infinite dimensioni nanometriche di un oggetto naturale ci porterebbe forse troppo lontano (per ora).
Quel che devo notare però è che la somma di diverse simmetrie, come la circolare e la poligonale, è soltanto un diverso modo di vedere la sovrapposizione tra strutture lineari ed elicoidali, come dicevamo prima. Il risultato netto, comunque lo si interpreti, è che la natura non è spiegabile con le tre dimensioni geometriche.

Filmatino

Un breve filmato di circa 3 minuti per presentare il mio lavoro, in particolare sulle proprietà
dei materiali compositi e delle fibre naturali e sulla biomimetica: scorrono un po' di immagini
variamente correlate e c'è in particolare anche il signor Triplaerre, l'omino delle fibre naturali e dell'ambiente sostenibile, che è un tentativo di divulgazione ai bambini. Non c'è commento, ma non è da escludere ne aggiunga uno in futuro.

Liscio e ruvido

Da un punto di vista concettuale, le fibre naturali, siccome devono essere tessute, devono per necessità essere rese di diametro costante, in una parola “lisce”, se mi passate il termine volutamente vago. Questo si ottiene con una serie di trattamenti, spesso tutt'altro che sostenibili, come per esempio, tipicamente, a partire da quel che si faceva col cotone già dall'800, la mercerizzazione con la soda caustica. Questo si fa anche con fibre abbastanza più “dure” del cotone, essendo estratte dal fusto e non dal seme, come per esempio con la juta, come si vede in figura. Certo, le fibre “dure” presentano una serie di problematiche che il cotone per esempio non ha, a cominciare dalla fibrillazione, il distacco delle fibrille cioè, che rende in ogni caso difficile la filatura “stretta”, cioè per fare dei tessuti fitti più che delle stuoie. C'è anche un aspetto psicologico, oltre che funzionale, in tutto questo: ciò che è liscio, in quanto prodotto rifinito ed ottimale, viene considerato più di pregio di ciò che è ruvido, in quanto materia grezza, se non rozza. La natura, dato il suo modo di progettare, ha invece dimostrato a sufficienza di non essere interessata a queste nostre categorie mentali, collegate puramente col modo di funzionare del senso del tatto. Una delle prime cose che in effetti insegniamo ai bambini, magari inconsapevolmente, è l'effetto della “texture”, la sensazione di liscio o ruvido che rimane sotto i polpastrelli in un breve contatto.
Laddove c'è gerarchizzazione, c'è invece una continua strutturazione fino al livello più piccolo. La zampetta del geco non è né liscia né ruvida, tuttavia è adattabile, nel senso che è in grado di prendere la forma che, a livello nanometrico, è considerata più adeguata per aderire in modo reversibile alla superficie, e quindi di modulare in modo flessibile la forza di contatto. A quel punto il contatto prescinde da considerazioni di attrito, non potremmo mai paragonarlo, per esempio, a quei sistemi ruota-rotaia, dove lo scorrimento senza intoppi (quindi ancora una volta l'andar “liscio”) viene sempre ricercato, rispetto alla frizione e quindi alla ruvidità, attraverso l'adozione di tecniche come la smerigliatura o la lucidatura a specchio. Si potrebbe ipotizzare anzi, anche se chiaramente la misurazione della forza di adesione del geco alla superficie non è semplice, che il sistema funziona con un attrito variabile a seconda delle condizioni della superficie stessa. Più o meno quello che cerchiamo con molta difficoltà di ottenere in molti sistemi ingegneristici, come per esempio gli ammortizzatori, che hanno lo scopo di ridurre le vibrazioni dovute alle condizioni della superficie stradale. E' chiaro che se potessimo modulare la forza di contatto tra la ruota e l'asfalto, sull'esempio del geco (avremmo certo bisogno di un “pneumatico gerarchizzato”), non ci servirebbero ammortizzatori. Per ora, invece, l'unico modo che abbiamo per ridurre la forza con cui il pneumatico preme sulla strada, è rallentare.

Cellule e memoria

Nel 1988 un articolo di Jacques Benveniste su “Nature” ipotizzava che esistesse una “memoria dell'acqua”, in parole povere che una sostanza disciolta e poi gradatamente diluita fino a lasciarne soltanto delle micro-tracce, fino a non essere sicuri di averne almeno una molecola nel campione di solvente, continuasse a produrre un certo effetto. In pratica, che l'acqua conservasse memoria della sostanza che vi era stata disciolta.
L'affermazione di Benveniste, a parte l'effetto di confermare la validità scientifica della pratica omeopatica, che si basa proprio su diluizioni successive, fino praticamente a zero, è stata contestata, poi in epoca più recente ripresa, parlando di nanostrutture, ed è tuttora in discussione.
Quel che è più sicuro è che i materiali reali una memoria ce l'hanno: è vero che ci sono i materiali a memoria di forma, come le leghe nichel-titanio. In esse la memoria, cioè l'effetto dell'essere già stati sollecitati, ovvero utilizzati, è evidente a causa di un cambiamento di fase che modifica radicalmente la microstruttura del metallo. In realtà, però, tutti i materiali hanno una memoria, perché quando vengono ricaricati, non si comportano mai esattamente allo stesso modo di quando sono stati sollecitati per la prima volta. Questo può dipendere dal danneggiamento, però rimane vero anche se non c'è nessun danno microscopicamente visibile.
In natura, il principio è esattamente lo stesso, in realtà: il funzionamento delle cellule, come quelle del sughero qui sopra, è basato su un principio detto tensegrity, in pratica esse sono sempre in tensione (meccanica, per effetto delle interazioni con le cellule vicine, ma anche elettrica, per effetto delle sostanze chimiche in soluzione circolanti nella cellula), ma restano integre. Questo significa che internamente esse hanno memoria delle azioni ricevute durante la loro vita attiva, tanto è vero che attivano un meccanismo di auto-riparazione (self-healing), che è in effetti ancora abbastanza utopistico pensare nel caso dei materiali creati dall'uomo. L'autoriparazione si basa innanzitutto sulla rimozione delle tensioni applicate dalla cellula, e quindi dall'isolamento delle cellule danneggiate, cosa che noi non siamo in grado di fare, per cui ogni nostra riparazione comporta la dismissione dell'oggetto da aggiustare, cosa che non accade in natura. La riparazione in servizio, ove fosse possibile anche per i materiali e le strutture create dall'uomo, comporterebbe un'enorme riduzione di costi ed anche un non indifferente beneficio ambientale.