Stampe 3D nanometriche più leggere dell’acqua, e resistenti come l’acciaio

stampe 3d nanometriche

Uno dei più grandi limiti dell’esplorazione spaziale è dato dalle condizioni incredibilmente difficili in cui le sonde devono sopravvivere. Su Venere, per fare un esempio, devono riuscire a resistere ad una temperatura di 470°C ed una pressione atmosferica 92 volte quella terrestre. Muoversi tra i canyon di Marte invece è proibitivo perché il terreno accidentato metterebbe a durissima prova la resistenza di qualsiasi rover, per non parlare dei problemi riguardo alla resistenza delle sonde durante alla discesa nell’atmosfera (marziana o terrestre). Più in generale i materiali molto resistenti sono generalmente anche molto pesanti, e più una sonda è pesante, più grandi devono essere i razzi per lanciarla nello spazio. Questo aumenterebbe notevolmente il prezzo delle missioni. L’ideale sarebbe riuscire ad avere un materiale tale da essere sia molto leggero che molto resistente. Ma questo materiale esiste! Ed è tutto intorno a noi. Per la precisione, dentro di noi: le ossa sono uno degli esempi naturali migliori di materiale molto resistente e molto leggero. Dal punto di vista ingegneristico le ossa sono una delle grandi meraviglie naturali! Fino a tempi recenti, però, le tecniche a disposizione non permettevano nemmeno di avvicinarsi alla costruzione di intrecci e strutture così complesse come il tessuto osseo, su scale così piccole. Ora però, un gruppo di scienziati dalla Germania, ha utilizzato una nuova stampante 3D per fare proprio questo, e la loro tecnica potrebbe cambiare per sempre l’industria spaziale. E non solo.

Le nostre ossa sono strutture di collagene e idrossiapatite, sostanze intrecciate a livello microscopico insieme a piccole bolle d’aria. “Le schiume che usiamo sono molto leggere, ma rispetto ai materiali in blocco hanno una forza inferiore per via della loro struttura interna casuale. I materiali leggeri e resistenti presenti in natura, come le ossa, sono solidi cellulari con un’architettura molto ottimizzata. Sono strutturati gerarchicamente e consistono in blocchi nanometrici.” spiega Jens Bauer, a capo dei ricercatori di quest’impresa.

Riuscire a ricreare questo concetto su scala nanometrica è da molto un grande sogno, ma generalmente si pensa più all’ispirazione naturale per il design, e non per la fabbricazione. Poi sono arrivati i progressi nel campo delle stampanti 3D, ed hanno rivoluzionato il modo in cui pensiamo alla costruzione dei materiali. Grazie alle nuove tecniche gli scienziati sono stati in grado di ricreare questi schemi microscopici in altissimo dettaglio.

Il team di Bauer ha usato la litografia laser 3D per stampare strutture su scala nanometrica usando un misto polimero-ceramica, creato con gli stessi ingredienti delle nostre ossa. In base a differenti modelli e tipi di organizzazione, gli scienziati sono riusciti a creare vari tipi di materiali incredibilmente resistenti.

Ma come vengono stampati? Una goccia di polimero, simile al miele, viene fatta cadere su una lastra di vetro, poi viene acceso un laser. Nel computer si inserisce il design da stampare, ed il vetro viene spostato in maniera meccanica con una tale precisione che il laser tocca soltanto i punti che devono diventare solidi. Una volta completato tutto questo, il liquido extra viene lavato via, lasciando il materiale con la struttura intricata creata con il computer ed il laser.

Tuttavia, questi materiali non erano resistenti come li voleva Baeur, così, in seguito, li ha rivestiti con un sottile strato di ossido di alluminio, prima di metterli a dura prova sotto stress fisico. In base ai test di reazione alla pressione, Baeur è poi riuscito a migliorare i modelli teorici per costruire il materiale migliore con il design migliore.

Anche se gli strati in alluminio aumentano un po’ la densità di questi materiali, essi sono tutti molto più leggeri dell’acqua. Il materiale più resistente sviluppato da Bauer ad oggi ha una struttura esagonale ed è rivestito con uno strato spesso 50 nanometri (miliardesimi di metro). Riesce a battere qualsiasi sostanza equivalente, sia naturale che artificiale. E’ più leggero di 1000 kg/m^3, e resiste a ben 280 MPa (mega pascal). Questo lo rende resistente come alcune forme di acciaio!

Ovviamente ci sono ancora grandi limitazioni . Queste stampanti possono creare materiali grandi al massimo pochi micrometri. Serviranno ancora alcuni anni prima di poter costruire forme più grandi, ma una cosa è certa: ne vedremo delle belle!

Fonte: link2universe