Quando lo spessore diminuisce, la resistenza meccanica aumenta

Un materiale può diventare più resistente proprio mentre si assottiglia: è una delle scoperte più sorprendenti che emergono oggi dalla fisica della materia. Un team di ricerca guidato dall’Università Statale di Milano ha identificato una nuova legge universale che governa il comportamento meccanico dei materiali bidimensionali e dei film ultrasottili quando vengono spinti a operare in condizioni estreme.

Lo studio, pubblicato sulla prestigiosa rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), è firmato da Alessio Zaccone, docente del dipartimento di Fisica “Aldo Pontremoli” della Statale di Milano, insieme a Timothy W. Sirk di US ARL.

La ricerca affronta una domanda fondamentale della fisica dei materiali: perché materiali estremamente sottili, costituiti da pochi strati atomici o molecolari, mostrano proprietà meccaniche molto diverse da quelle osservate negli stessi materiali in forma macroscopica?

Analizzando sistemi molto diversi tra loro – dal grafene agli ossidi di grafene fino ai polimeri ultrasottili – i ricercatori hanno scoperto che tutti seguono la stessa legge fisica: riducendo lo spessore alla scala nanometrica, la rigidità meccanica aumenta secondo una precisa dipendenza matematica inversamente proporzionale al cubo dello spessore.

La spiegazione risiede nella fisica microscopica delle deformazioni. Nei materiali ordinari esistono infatti particolari movimenti collettivi degli atomi e delle molecole che tendono ad “ammorbidire” la risposta elastica del materiale. Quando però il materiale viene confinato in uno spessore estremamente ridotto, molte di queste modalità di deformazione vengono soppresse, determinando un marcato aumento della rigidità.

“Abbiamo mostrato che esiste un principio meccanico comune a una vasta classe di materiali apparentemente molto diversi tra loro - spiega Alessio Zaccone -, il confinamento alla nanoscala modifica profondamente il modo in cui il materiale può deformarsi, producendo un effetto di irrigidimento che segue una legge universale”.

Il lavoro fornisce per la prima volta una spiegazione teorica unificata di numerose osservazioni sperimentali riportate negli ultimi anni sui materiali bidimensionali e sui film ultrasottili. La teoria collega concetti di elasticità microscopica, dinamica vibrazionale e fisica dei materiali disordinati, offrendo un nuovo quadro interpretativo per comprendere il comportamento della materia su scala nanometrica.

Oltre all’interesse fondamentale per la fisica della materia condensata, i risultati potrebbero contribuire allo sviluppo di materiali avanzati caratterizzati da elevata leggerezza e resistenza meccanica. Possibili ambiti di applicazione includono rivestimenti protettivi ad alte prestazioni, dispositivi elettronici flessibili, sensori miniaturizzati, materiali per l’aerospazio e nuove tecnologie basate su materiali bidimensionali.

Lo studio evidenzia come proprietà emergenti della materia possano essere governate da principi universali che diventano visibili soltanto quando le dimensioni vengono ridotte fino alla scala nanometrica, rafforzando il ruolo della ricerca fondamentale nello sviluppo delle tecnologie del futuro.