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Un semplice trucco trasforma il polimero commerciale nella fibra più resistente al mondo
Nella scienza dei materiali, la tenacità è una misura della quantità di energia che un materiale può assorbire prima di rompersi. Il Kevlar, ad esempio, può assorbire circa 80 Joule per grammo prima di rompersi, ma questo è sminuito da alcuni materiali naturali che sono molto più resistenti. La seta prodotta dal gigantesco ragno fluviale, ad esempio, può assorbire circa 390 Joule per grammo prima di rompersi.
Quindi c'è un grande interesse nel trovare nuovi materiali che possano eguagliare o battere le prestazioni dei materiali naturali per applicazioni che richiedono alti livelli di assorbimento di energia.
Oggi, Nicola Pugno dell'Università di Trento in Italia rivela un trucco straordinariamente semplice che aumenta notevolmente la tenacità di quasi tutti i tipi di fibra. In effetti, Pugno afferma di aver utilizzato la tecnica per creare la fibra più dura al mondo.
La nuova idea è ingannevolmente semplice: non comporta altro che fare un nodo scorsoio nella fibra, creando un anello di fibra extra che può passare attraverso il nodo quando viene messo in tensione.
Il meccanismo è semplice. Quando la fibra viene messa in tensione, il nodo scorsoio inizia a stringersi e il materiale in eccesso passa attraverso il nodo, dissipando energia per attrito.
Naturalmente, la fibra alla fine si rompe, ma solo dopo che tutto il materiale nell'anello è passato attraverso il nodo scorsoio.
Chiaramente questo non rende il materiale più forte (tenacità e resistenza sono proprietà diverse che sono generalmente non correlate). Tuttavia, non è difficile vedere come la dissipazione di energia aumenterebbe notevolmente la quantità di energia che la fibra assorbe prima di rompersi, aumentando così la sua tenacità.
Pugno afferma di aver testato l'idea su un certo numero di materiali utilizzando un numero diverso di anelli e nodi di scorrimento. I migliori risultati vengono dall'utilizzo di tre nodi di scorrimento, dice.
Applicando questo semplice trucco a una fibra polimerica commerciale chiamata Endumax, ha aumentato la sua tenacità da 44 Joule per grammo a un notevole 1070 Joule per grammo. Questo è il valore più alto mai registrato. La prova del concetto viene realizzata sperimentalmente creando la fibra più resistente al mondo, afferma.
È anche meglio delle fibre fatte di nanotubi che gli scienziati dei materiali stanno appena iniziando a realizzare. Il più forte di questi, realizzato con nanotubi di carbonio, ha una tenacità di 970 Joule per grammo.
Pugno afferma che il suo lavoro è solo l'inizio e che dovrebbe essere possibile utilizzare la sua tecnica del nodo scorsoio per produrre fibre di grafene con una tenacità di 100.000 Joule per grammo.
Ci sono sfide future, ovviamente. Idealmente, la forza richiesta per far passare la fibra attraverso il nodo dovrebbe essere appena al di sotto del punto di rottura del materiale e questo dipende da fattori come la topologia del nodo. La scelta del nodo ha un'influenza importante sul comportamento del materiale e ulteriori lavori qui potrebbero portare a nuovi design. Pugno dice che sta attualmente brevettando il suo design a nodo scorsoio e quindi non l'ha ancora pubblicato.
Le potenziali applicazioni di questa idea sono molte. I materiali più resistenti potrebbero ovviamente essere utilizzati in aree in cui l'assorbimento di energia è importante, come ad esempio la produzione di armature.
Questa è un'idea efficace ed economica che ha un potenziale significativo. È anche straordinariamente semplice, il che potrebbe essere proprio il motivo per cui è stato trascurato fino ad ora.
Rif: arxiv.org/abs/1304.6658 : L'uovo di Colombo per produrre le fibre più dure del mondo