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Metasensori per vedere i difetti strutturali invisibili dei materiali

Uno studio congiunto di ricercatori italiani e francesi pubblicato su Physical Review Letters propone una nuova possibile applicazione dei metamateriali: sensori ultrasensibili per localizzare e quantificare il danneggiamento in materiali e strutture ingegneristiche

Tutte le strutture ingegneristiche, come per esempio le ali di un aereo o i cavi di un ponte sospeso, presentano difetti nano- e/o microscopici , e quindi non facilmente visibili, che in seguito a sollecitazioni impulsive o ripetute possono portare a un cedimento strutturale catastrofico. Uno dei modi più affidabili per rivelare questo danneggiamento e la sua evoluzione in un materiale è di fare propagare in esso delle onde elastiche di piccola ampiezza a una data frequenza. Queste, interagendo con i difetti, generano delle onde a frequenze diverse da quella iniettata dette armoniche; si dice allora che il materiale mostra un comportamento “non lineare”.

Sono state sviluppate delle tecniche di cosiddetta “inversione temporale” (Time Reversal) che permettono di localizzare e stimare l’estensione della zona danneggiata riflettendo indietro le onde che hanno appena attraversato il materiale che convergono così (per la loro parte nonlineare) nel punto in cui sono state generate (il difetto). Il problema di queste tecniche è che gli effetti non lineari prodotti da difetti nano- o micrometrici sono in genere molto piccoli e quindi spesso sommersi da “rumore”, a meno che i difetti siano meso- o macro-scopici, ma in questo caso lo stato di danneggiamento sarebbe probabilmente già troppo avanzato.

Nel lavoro congiunto dei ricercatori del Politecnico di Torino e delle Università di Torino, Trento e Le Havre in Francia, questo problema chiave di sensibilità viene risolto tramite l’uso dei metamateriali. Si tratta di materiali microstrutturati, in genere contenenti delle ripetizioni periodiche di cavità o risuonatori, che permettono di manipolare le onde elastiche, generando effetti di assorbimento (filtri) o riflessione (specchi) selettivi, ovvero presenti solo ad alcune frequenze. Di fatto, la proposta dei ricercatori è di utilizzare i metamateriali nel campo dell’elasticità non lineare come filtri meccanici di alcune frequenze e come “specchi” in grado di focalizzare l’energia, sostituendo i filtri elettronici normalmente utilizzati nelle procedure di Time Reversal per far emergere naturalmente e accresciuta in ampiezza la componente non lineare di interesse.

Lo studio, pubblicato su «Physical Review Letters», è dunque il primo esempio di progettazione e realizzazione di un dispositivo che unisce i metamateriali elastici e il Time Reversal, per realizzare tecnologie ultrasensibili in grado di localizzare e quantificare il danneggiamento, con un impatto potenzialmente notevole nell’ingegneria dei materiali e strutturale.
A contribuire allo studio per l’Università di Torino sono stati Anastasiia Krushynska e Federico Bosia del Dipartimento di Fisica, finanziati dalla Commissione Europea (programma FP7) e dalla Compagnia San Paolo nell'ambito del progetto Train 2 Move (www.train2move.unito.it/).


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autore

Federico Bosia
Dipartimento

Fisica
Pubblicato il

05 Giugno 2017

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