Il materiale che si dimentica di essere solido se agitato

Prendete un denso ammasso di comuni punti metallici da ufficio e tirate. Non si muoverà. Sembra un blocco solido di acciaio, rigido e ostinato, che resiste a ogni Newton di forza che vi si applica. Ma dategli il giusto tipo di scossa—una vibrazione specifica e calibrata—e l'intera struttura collassa, scorrendo tra le dita come un rivolo d'acqua argentea. Non è un trucco di magia, e non è una reazione chimica. È un assaggio di un futuro in cui i nostri edifici, robot e ponti saranno realizzati con materiali in grado di decidere, a comando, se essere un mattone o una pozzanghera.

I materiali tradizionali sono noiosamente prevedibili. Se avete un mucchio di sabbia, i granelli sono convessi: sono lisci, arrotondati ed essenzialmente egoisti. A un granello di sabbia non importa cosa stia facendo quello accanto; scivolano semplicemente l'uno sull'altro. Ecco perché non si può costruire un muro verticale di sabbia asciutta. Non ha “resistenza alla trazione”, il che significa che non può tenersi insieme quando viene tirato. Per creare una struttura solida a partire da piccole parti, di solito dobbiamo aggiungere una “colla”, come l'acqua in un castello di sabbia o il cemento nel calcestruzzo. Ma il Barthelat Lab voleva eliminare del tutto la colla.

La fine del granello convesso

Quando si versa un mucchio di queste particelle a forma di punto metallico, esse non restano semplicemente ferme. Si intrecciano. Proprio come i rametti nel nido di un uccello o le fibre in un maglione di lana, le estremità di una particella si agganciano al corpo di un'altra. Questo crea una forza collettiva che è superiore alla somma delle sue parti. Nei “test di sollevamento”, i ricercatori hanno scoperto che una massa aggrovigliata di questi punti poteva essere sollevata come un'unica unità rigida. Si comporta come un solido perché la geometria fisica impedisce alle particelle di scivolare. State essenzialmente costruendo un materiale in cui i “legami” sono meccanici piuttosto che chimici.

Questo crea un raro paradosso fisico: un materiale che è allo stesso tempo forte e tenace. Nella scienza dei materiali, questi due termini sono spesso in contrasto. Un piatto di ceramica è forte (può reggere molto peso) ma non è tenace (colpitelo con un martello e andrà in frantumi). Un elastico è tenace (assorbe energia e si allunga) ma non è forte. Questi punti metallici intrecciati riescono in qualche modo a fare entrambe le cose. Resistono alla trazione con l'ostinazione del metallo, ma poiché possono spostarsi e scivolare leggermente l'uno sull'altro, assorbono gli impatti senza rompersi. È il tipo di proprietà meccanica che fa venire l'acquolina in bocca agli ingegneri.

Come trasformare un ponte in una pozzanghera?

Il vero colpo di genio della ricerca della CU Boulder non è solo che i punti metallici si attaccano tra loro, ma che sanno quando lasciarsi andare. È questo l'aspetto da “metallo liquido” che sta suscitando l'interesse di tutti, dalla NASA al Ministero della Difesa. Applicando specifici schemi di vibrazione, i ricercatori possono effettivamente “spegnere” la solidità del materiale. Vibrazioni delicate aiutano le particelle a trovare la loro posizione ideale e a incastrarsi più saldamente, rendendo la struttura più forte. Ma azionando la frequenza di “rilascio”, le particelle vengono scosse fuori dal loro abbraccio meccanico. Il blocco “solido” si liquefa improvvisamente, permettendo ai punti metallici di essere versati in un nuovo stampo o rimossi completamente.

Ciò solleva una serie di questioni affascinanti per il futuro dell'edilizia. Immaginate un ponte temporaneo da dispiegare in una zona colpita da un disastro. Invece di pesanti travi d'acciaio che richiedono enormi gru e bulloni permanenti, si potrebbe versare una “sospensione” di queste particelle intrecciate in una struttura, farle vibrare finché non si bloccano solidamente e attraversarlo a piedi. Quando il lavoro è terminato, si preme il pulsante della vibrazione, il ponte si scioglie tornando a essere un mucchio di punti metallici, e li si pala su un camion per riutilizzarli nel cantiere successivo. È l'infrastruttura riciclabile definitiva.

Tuttavia, c'è un ostacolo. Utilizzare l'intreccio meccanico su larga scala è attualmente costoso e incredibilmente difficile da simulare alla perfezione. Mentre i modelli informatici possono prevedere come si comporteranno mille punti metallici, prevedere come un miliardo di essi reagirà sotto il peso di un camion in movimento è tutt'altra cosa. C'è anche il problema della “fatica”. Se il materiale si basa su minuscole estremità metalliche che si agganciano, cosa succede quando queste iniziano a piegarsi o a spezzarsi dopo il millesimo ciclo di “fusione”? Il team sta già valutando design più avanzati, incluse particelle con ancora più estremità — simili alle spine che si attaccano al pelo di un cane — per creare un bloccaggio più permanente e sicuro.

Il caotico manuale delle regole della natura viene riscritto

I punti metallici della CU Boulder fanno parte di una tendenza più ampia e bizzarra nella fisica: ci stiamo rendendo conto che i semplici diagrammi “solido, liquido, gas” che abbiamo imparato a scuola sono per lo più bugie. Mentre Barthelat gioca con punti metallici su scala macroscopica, altri fisici stanno riscontrando lo stesso comportamento “strano” a livello atomico. Recenti studi sul gallio — il metallo che notoriamente fonde nella mano — hanno dimostrato che il suo stato liquido è molto più strutturato e “simile a un solido” di quanto avessimo mai sospettato. Il gallio non si trasforma semplicemente in una zuppa casuale di atomi; mantiene un ricordo spettrale della sua struttura cristallina anche mentre scorre.

Scendendo ancora più a fondo nella tana del bianconiglio, i ricercatori che lavorano con il grafene e i superfluidi hanno osservato uno stato di “flipper quantistico”. In questi sistemi, gli elettroni possono essere fatti “congelare” in pattern che sembrano solidi ma si comportano come liquidi, o viceversa. Stiamo entrando in un'era in cui la “fase” di un materiale non è più un'identità fissa, ma un umore temporaneo. Che si tratti di un mucchio di punti metallici da ufficio o di un foglio di atomi, le regole sono le stesse: se si riesce a controllare la geometria e l'energia, si può far fare alla materia tutto ciò che si vuole.

Questo ci riporta al T-1000. Anche se non siamo ancora allo stadio di costruire un assassino mutaforma capace di imitare la vostra matrigna, il team della CU Boulder ritiene che il futuro immediato risieda nella robotica a sciame. Immaginate mille piccoli robot semplici — nessuno dei quali più intelligente di un tostapane — che possono agganciarsi tra loro per formare uno strumento solido, come una chiave inglese o una scala. Quando il compito è svolto, si scollegano e fluiscono in una piccola scatola per essere riposti. È una transizione dalla robotica “rigida” a sistemi “morbidi” in grado di adattarsi al loro ambiente.

Il costo del mutaforma

Ma perché non è già nelle nostre case? L'ostacolo, come sempre, è la caotica realtà del mondo fisico. Perché un materiale sia veramente utile, deve essere affidabile. Se costruite una sedia con questi punti metallici, dovete essere sicuri al 100% che un camion pesante di passaggio o una cassa acustica ad alto volume non attivino la “frequenza di fusione”, lasciandovi seduti per terra in un mucchio di metallo. Progettare l'“interruttore” affinché sia abbastanza specifico da non essere attivato per sbaglio è il prossimo grande ostacolo.

C'è anche un incubo normativo dietro l'angolo. I nostri attuali standard di sicurezza per edifici e macchine si basano sull'idea che i solidi restino solidi. Come si certifica un ponte progettato per smontarsi? Come si scrive un regolamento edilizio per una struttura che potrebbe, in teoria, essere versata in uno scarico? Questi sono i punti di attrito dove la fisica d'avanguardia incontra la burocrazia del vecchio mondo.

Nonostante questi ostacoli, lo slancio è innegabile. Ci stiamo allontanando da un mondo in cui costruiamo le cose con blocchi statici e ci avviciniamo a un mondo in cui i materiali sono partecipanti attivi nella loro stessa funzione. L'umile punto metallico da ufficio, uno strumento che solitamente usiamo per tenere insieme pochi fogli di carta, ci ha inavvertitamente mostrato il progetto per un futuro più fluido. Si scopre che se volete cambiare il mondo, non avete necessariamente bisogno di un nuovo elemento o di una sostanza chimica rivoluzionaria: avete solo bisogno di un modo migliore per far aggrovigliare le cose.

La prossima volta che vi cadrà una scatola di punti metallici sul pavimento e passerete dieci minuti a cercare di districarli, non arrabbiatevi. Non state guardando un disordine. State guardando il materiale da costruzione più forte, tenace e adattabile che abbiamo mai concepito. Dovete solo ancora trovare la frequenza giusta per farlo comportare come si deve.