Scienziati creano rivoluzionario materiale resistente come l’acciaio, ma più leggero del polistirolo

Un team di ricercatori dell’Università di Toronto ha sviluppato un nuovo materiale che potrebbe trasformare settori come l’aerospaziale e l’automobilistico. Grazie all’unione tra machine learning e ingegneria su scala nanometrica, hanno creato una struttura in carbonio che combina estrema resistenza e leggerezza, superando le prestazioni dei materiali tradizionali. Da anni gli ingegneri cercano di sviluppare...

Mag 11, 2025 - 21:58

Scienziati creano rivoluzionario materiale resistente come l’acciaio, ma più leggero del polistirolo

Un team di ricercatori dell’Università di Toronto ha sviluppato un nuovo materiale che potrebbe trasformare settori come l’aerospaziale e l’automobilistico. Grazie all’unione tra machine learning e ingegneria su scala nanometrica, hanno creato una struttura in carbonio che combina estrema resistenza e leggerezza, superando le prestazioni dei materiali tradizionali.

Da anni gli ingegneri cercano di sviluppare materiali che uniscano leggerezza e resistenza per migliorare l’efficienza in vari settori, in particolare quello aerospaziale, dove anche pochi grammi in meno possono tradursi in risparmi di carburante e prestazioni ottimizzate.

Materiali come alluminio e titanio hanno rappresentato per lungo tempo la soluzione più avanzata, ma presentano limitazioni. Anche la fibra di carbonio, pur essendo un’alternativa rivoluzionaria, non è priva di difetti. Per superare questi ostacoli, il team di ricerca canadese ha esplorato un approccio innovativo: i materiali nano architettati.

Queste strutture, progettate a livello nanometrico, traggono ispirazione da elementi naturali come ossa, conchiglie e alveari, ottimizzando la distribuzione del carico per ridurre i punti deboli. Tuttavia, la progettazione di queste geometrie è estremamente complessa, poiché una distribuzione errata dello stress può compromettere la resistenza del materiale.

Per affrontare questa sfida, i ricercatori hanno utilizzato un modello avanzato di machine learning noto come ottimizzazione bayesiana, in grado di individuare la configurazione geometrica più efficiente tra milioni di possibili combinazioni.

Intelligenza artificiale e nanotecnologie per materiali ultra-performanti

Grazie all’intelligenza artificiale, il team ha generato migliaia di design potenziali, testandoli con analisi agli elementi finiti, una tecnica computazionale che simula il comportamento dei materiali sotto stress. L’algoritmo ha poi perfezionato le strutture, ottimizzando resistenza e rigidità senza aumentare il peso.

Secondo Peter Serles, primo autore dello studio pubblicato su Advanced Materials, i materiali nano architettati sfruttano il principio del “più piccolo è, più forte diventa”, creando strutture con uno dei migliori rapporti resistenza/peso mai ottenuti. Tuttavia, le tradizionali geometrie a reticolo presentano angoli e intersezioni che concentrano lo stress, causando fratture precoci.

Il machine learning ha permesso di superare questo problema, identificando nuove geometrie che distribuiscono meglio le sollecitazioni. Una volta selezionati i design più promettenti, i ricercatori li hanno stampati in 3D con polimerizzazione a due fotoni, una tecnologia capace di creare strutture con precisione nanometrica.

Le microstrutture ottenute, composte da fili di carbonio sottilissimi (300-600 nanometri di diametro), sono state poi sottoposte a pirolisi, un processo termico a 900°C in atmosfera di azoto, che ha trasformato il polimero in carbonio vetroso ultra-resistente.

Un materiale più resistente del titanio e dieci volte più forte dell’alluminio

I test hanno mostrato che questi nanoreticoli ottimizzati offrono una resistenza più che doppia rispetto ai design precedenti, raggiungendo un carico di rottura di 2,03 megapascal per metro cubo per chilogrammo di densità.

Per contestualizzare questi dati:

Sono 10 volte più resistenti di molte leghe di alluminio leggere.
Superano di circa 5 volte la resistenza del titanio.

Il segreto della loro straordinaria resistenza risiede nel comportamento del carbonio su scala nanometrica. Quando le dimensioni dei filamenti si riducono a 300 nanometri, gli atomi di carbonio si organizzano in una struttura ad alta purezza, con il 94% di legami sp², simili a quelli della grafite, che conferiscono rigidità e resistenza eccezionali.

Applicazioni future: dall’aerospazio ai trasporti sostenibili

Le implicazioni di questa scoperta sono enormi. Componenti ultra-leggeri e super-resistenti potrebbero rivoluzionare la produzione di aerei, elicotteri e veicoli spaziali, riducendo significativamente il consumo di carburante e le emissioni.

Secondo Serles, sostituire le parti in titanio di un aeroplano con questo materiale potrebbe far risparmiare 80 litri di carburante all’anno per ogni chilogrammo di materiale sostituito.

Il prossimo passo per i ricercatori sarà scalare la produzione per realizzare componenti macroscopici a costi sostenibili, esplorando al contempo nuove geometrie per ottenere materiali ancora più leggeri e performanti.

Questa innovazione, pubblicata su Advanced Materials, segna un punto di svolta nella scienza dei materiali, con potenziali applicazioni in settori che vanno dall’aeronautica alla robotica, fino alla medicina.

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