• Materiali avanzati e nanotecnologie: CHIROFRICT e il “suo” essere innovazione. Intervista a Luigi Gambarotta e Andrea Bacigalupo, professori del Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica e Ambientale dell'Università di Genova.

Materiali avanzati e nanotecnologie: CHIROFRICT e il “suo” essere innovazione. Intervista a Luigi Gambarotta e Andrea Bacigalupo, professori del Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica e Ambientale dell'Università di Genova.

24 maggio 2024

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Knowledge Share

Nel mondo dei materiali avanzati e della nanotecnologia, l'innovazione è la chiave del progresso. Oggi abbiamo il privilegio di presentare due professori del Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica e Ambientale dell'Università di Genova: Luigi Gambarotta e Andrea Bacigalupo. Con decenni di esperienza nella modellazione meccanica di materiali eterogenei, questi ricercatori hanno contribuito significativamente alla nostra comprensione del comportamento dei materiali, in particolare nelle risposte sismiche delle costruzioni in muratura e nella sicurezza delle infrastrutture come i ponti in muratura.

Il loro percorso è iniziato negli anni '80, concentrandosi sulla caratterizzazione del danno nei materiali quasi fragili, e si è evoluto negli anni '90 per arricchire la meccanica delle costruzioni in muratura. Con l'avvicinarsi degli anni 2000, la loro ricerca si è estesa alla teoria matematica dell'omogeneizzazione e al campo emergente dei metamateriali meccanici, portando allo sviluppo di materiali innovativi con microstrutture complesse.

In questa intervista, i professori Gambarotta e Bacigalupo discutono del loro ultimo progetto, CHIROFRICT. Concepito nel 2022, questo progetto si concentra su un metamateriale stratificato resiliente con proprietà uniche come la massima dissipazione di energia, dispositivi riutilizzabili senza interventi esterni e una risposta bilaterale. Essi esplorano le potenziali applicazioni di CHIROFRICT in vari settori, tra cui quello ferroviario, aerospaziale, automobilistico e delle costruzioni antisismiche, sottolineando la sua capacità di migliorare le tecnologie attuali.

CHIROFRICT è il brevetto più visualizzato della piattaforma Knowledge Share 2.0 per il mese di aprile:  https://www.knowledge-share.eu/it/brevetti/chirofrict-mitigazione-onde-elastiche-e-urti

CHIROFRICT

Ci raccontate di voi, background e ruolo/interessi nel mondo della ricerca?

Siamo due Professori del Dipartimento di Ingegneria Civile, Chimica e Ambientale dell’Università di Genova. Da diversi decenni ci occupiamo della modellazione meccanica di materiali eterogenei. All’inizio, negli anni ’80 del secolo scorso abbiamo lavorato sulla caratterizzazione del danno in materiali quasi fragili in cui la presenza di microfessure risulta determinante sulla deformabilità, ma soprattutto sulla resistenza.

Successivamente, essendo Ingegneri civili, negli anni ’90 abbiamo trasferito tali conoscenze alla meccanica delle costruzioni in muratura, arricchendo lo stato dell’arte con modelli meccanici capaci di rappresentare il comportamento dei singoli mattoni. Tali ricerche hanno avuto ricadute ampiamente positive nella comprensione della risposta sismica delle costruzioni in muratura, in particolare nell’edilizia storico-monumentale.

Il successivo passo è stato quello di aprire nuove ricerche, forti del background raggiunto, sulla sicurezza dei ponti in muratura che costituiscono una parte rilevante della rete infrastrutturale stradale e ferroviaria. Le esperienze realizzate ci hanno invogliato a tornare su problemi fondamentali della meccanica dei mezzi eterogenei.

Un primo tema a partire dagli anni 2000 è stato quello riguardante la teoria matematica dell’omogeneizzazione, intesa come la formulazione di modelli fisico-matematici locali e non-locali per determinare le caratteristiche elastiche omogenee equivalenti al materiale composito reale, necessari alla soluzione computazionale di problemi statici o dinamici di sistemi strutturali in materiale composito, altrimenti irrisolvibili con mezzi computazionali convenzionali.

Successivamente, ci siamo trovati con esperienze importanti per affrontare con successo la tematica emergente dei Metamateriali meccanici abbinata allo sviluppo dell’Additive manifacturing. Abbiamo sviluppato nuovi metamateriali a microstruttura periodica complessa, anche a comportamento auxetico, atti a realizzate meta-filtri acustici altamente performanti in grado di filtrare onde elastiche nel materiale. Ciò è stato possibile utilizzando metodologie innovative di omogeneizzazione statiche e/o dinamiche al discreto ed al continuo.

L’utilizzo di materiali con comportamento multifisico (ad esempio piezo/flexo-elettrico, magneto-elettro-elastico) ci ha permesso la progettazione ottimale di metamateriali intelligenti con proprietà acustiche controllabili.

Ci può introdurre brevemente in cosa consiste la tecnologia. Come funziona e come migliora lo “status quo” delle tecnologie attualmente utilizzate nel campo dei materiali avanzati e nanomateriali.

Recentemente, nel 2020, un gruppo di ricerca di Sandia Laboratories ha proposto uno studio pionieristico in cui è stato sviluppato un materiale microstrutturato capace di dissipare energia e/o assorbire urti attraverso un meccanismo attritivo con possibilità di recuperare la configurazione iniziale al termine della storia di carico.

La tematica, assolutamente innovativa ci ha incuriositi e stimolati a concepire un metamateriale stratificato resiliente realizzato da lamine auxetiche a microstruttura periodica e chirale con micro-meccanismi attritivi di interfaccia.

Tale metasistema resiliente presenta le seguenti proprietà innovative: i) risposta isteretica con massima dissipazione di energia meccanica; ii) riuso del dispositivo senza interventi esterni con ripristino della configurazione iniziale al termine del processo dinamico; iii) multi-direzionalità della risposta dissipativa; iv) bilateralità della risposta, ossia eguale comportamento a trazione e compressione.

Il progetto di ricerca per CHIROFRICT: dall’idea alle potenzialità di mercato.

La concezione di CHIROFRICT nasce nel 2022 e viene sviluppata con riferimento alle prestazioni ideali di un sistema meccanico illimitato, ossia in cui la dimensione della microstruttura è trascurabile rispetto alla scala strutturale. Da tale studio sono emerse le importanti performances sopra menzionate.

Attualmente sono in corso studi sugli effetti di scala attraverso modellazione analitica/computazionale discreta ed al continuo, che spaziano dai semplici sistemi finiti soggetti a forzanti cicliche sino a sistemi complessi rappresentativi di supporti antivibranti e/o di assorbimento urto. Tali risultati sono stati validati attraverso una serie di test sperimentali virtuali.

Per corroborare la tecnologia concepita si prevede la doverosa sperimentazione su campioni metallici nelle configurazioni microstrutturali ottenuti attraverso opportune tecniche di ottimizzazione parametrica e topologica del metamateriale.

Sulla base delle conferme sperimentali, si prevedono possibili applicazioni tecnologiche mirate ai seguenti settori produttivi: industria ferroviaria; cantieristica navale; industria aerospaziale; industria automobilistica; costruzioni industriali, antisismiche e infrastrutture viarie e ferroviarie.

Tra le possibili applicazioni si leggono sia Industria e Cantieristica che spazia dal ferroviario all’aerospaziale, passando per navale, automobilistica e sismica. Proseguendo con le implementazioni della ricerca pensa sarebbe possibile allargare il raggio d’azione ulteriormente?

Il principio su cui si basa l’invenzione può essere esteso anche a sistemi meccanici a scala maggiore. Si tratta di un meccanismo fondato su porzioni elastiche accoppiate in contatto mutuo attritivo dilatante controllato da dispositivi elastici opportunamente disposti. Può trovare riscontro in diversi settori industriali ed ingegneristici in cui la dissipazione isteretica può assumere un ruolo importante.

Spinoff o no-spinoff? Se no perché? Se sì con chi? (investitori / partner industriali?) di quanto avrebbe bisogno in termini economici?

Sicuramente la realizzazione tecnologica del brevetto richiede il coinvolgimento di partner industriali e investitori, possibilmente attraverso spin-off, considerata la necessità da un lato di un confronto con le esigenze tecnologiche e industriali e dall’altro finanziaria per l’evoluzione del brevetto sino a livello TRL6.

Conoscevate già la piattaforma KS? In che ambito?

La piattaforma KS è stata una piacevole scoperta che ci ha ulteriormente stimolato. Contiamo molto sulla diffusione e sviluppo del brevetto attraverso questa utile piattaforma.

CHIROFRICT

CHIROFRICT

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