I metasensori aiutano a svelare la presenza di danneggiamento “invisibile”

Un nuovo studio propone una nuova possibile applicazione dei metamateriali: sensori ultrasensibili per localizzare e quantificare il danneggiamento in materiali e strutture ingegneristiche.

Tutte le strutture ingegneristiche, ad esempio le ali di un aereo o i cavi di un ponte sospeso, presentano un danneggiamento interno non visibile (difetti nano- e/o micro-scopici) che a seguito di sollecitazioni impulsive o ripetute può portare ad un cedimento strutturale catastrofico. Uno dei modi più affidabili per rivelare tale stato di danneggiamento (e quindi la sua evoluzione) in un materiale è di fare propagare in esso delle onde elastiche di piccola ampiezza ad una data frequenza. Queste, interagendo coi difetti, generano delle onde a frequenze diverse da quella iniettata (dette armoniche) – ovvero il materiale mostra un comportamento nonlineare malgrado la piccola ampiezza dell’onda incidente.

Sono state sviluppate delle tecniche di cosiddetta “inversione temporale” (Time Reversal) che permettono di localizzare e stimare l’estensione della zona danneggiata invertendo il senso di propagazione delle onde rilevate 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 nonlineari sono in genere molto piccoli e quindi spesso sommersi da “rumore”, a meno che i difetti siano meso- o macro-scopici, nel cui caso probabilmente già in stato troppo avanzato.

I ricercatori dell’Università di Torino, di Trento, di Le Havre e del Politecnico di Torino hanno risolto questo problema di sensibilità tramite l’uso dei metamateriali.

Lo studio pubblicato su Physical Review Letters è il primo esempio di progettazione e realizzazione di un dispositivo che unisce i metamateriali elastici e il Time Reversal, per realizzare dispositivi ultrasensibili in grado di localizzare e quantificare il danneggiamento, con un impatto potenzialmente notevole nell’ingegneria dei materiali e strutturale.

I metamateriali sono 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 nonlineare 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 nonlineare di interesse.

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

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