Materiali polimerici: scoperto un metodo di calcolo per predirne i comportamenti durante la deformazione

Grazie a una collaborazione tra ricercatori dell’Università di Pisa e di enti di ricerca statunitensi, è stato scoperto un metodo di calcolo in grado di predire su quali tempi si riorganizza un materiale polimerico se sottoposto a deformazioni continue. Lo studio, pubblicato sulla rivista Science Advances con il titolo “Predictive relation for the alpha-relaxation time of a coarse-grained polymer melt under steady shear”, permetterà un miglior controllo di processi industriali di grande rilievo, quali l’estrusione di materie plastiche e la stampa 3D, la cui comprensione teorica è stata finora assai limitata.

Frutto di indagini condotte tramite simulazioni numeriche, la ricerca è stata condotta grazie anche al decisivo supporto dell’IT Center dell’Università di Pisa e vede come primo autore e co-autore corrispondente Andrea Giuntoli, dottorato nel 2018 presso UniPi e come secondo autore Francesco Puosi, anche lui dottorato presso UniPi, e attualmente attivo presso la sezione di Pisa dell’INFN e il Dipartimento di Fisica grazie ad una fellowship Marie Sklodowska-Curie, e Dino Leporini, professore associato del dipartimento di Fisica.

“Il contributo pisano è stato duplice – spiega il professor Leporini – Il primo è stato segnalare il ruolo dell’elasticità nei processi di riorganizzazione molecolare quando il mezzo polimerico è sotto deformazione. Tale ruolo era stato in precedenza già notato dal mio gruppo di ricerca in sistemi non deformati. Il secondo è stato procedere alla messa a punto del codice numerico grazie all’IT center dell’Ateneo. Questo step preliminare ha garantito la piena efficienza delle simulazioni effettuate utilizzando i mezzi di calcolo messi successivamente a disposizione dal NIST, il National Institute of Standards and Technology, altro partner dello studio”.

La ricerca si è interessata ai fluidi non-newtoniani in cui la viscosità dipende dalla velocità di deformazione del sistema: “Tutti i sistemi sotto deformazione o scorrimento sono stati della materia pilotati fuori equilibrio da un’azione esterna – continua Giuntoli – La comprensione microscopica, e non fenomenologica, di questi stati è ancora molto scarsa. Vista la loro importanza tecnologica, il nostro studio si è occupato in particolare di polimeri, fluidi non-newtoniani per eccellenza, che si caratterizzano anche per l’eterogeneità della loro dinamica, variabile da punto a punto. L’indagine è riuscita a identificare una relazione tra le proprietà del polimero grazie alla quale possiamo predire la sua fluidità molecolare per una data velocità di deformazione o scorrimento”.

Uno dei campi in cui il controllo del comportamento sotto deformazione è fondamentale è certamente quello della stampa 3D, o manifattura additiva, utilizzata anche durante l’emergenza Coronavirus per produrre valvole per respiratori: “La stampante 3D realizza manufatti in tre dimensioni depositando nuovo materiale strato su strato – conclude Puosi – Per i polimeri la deposizione avviene tramite l’estrusione del materiale da un ugello riscaldato che lo rende altamente fluido. La stampante sposta la testa di estrusione, appoggiando il materiale fuso in punti precisi, dove si raffredda e si solidifica. Al termine di uno strato, la piattaforma di creazione si sposta verso il basso e il processo si ripete fino al completamento dell’intero manufatto”.

Gli enti coinvolti nella ricerca sono l’Istituto per i Processi Chimico-Fisici del Consiglio Nazionale delle Ricerche di Pisa, Materials Science and Engineering Division, National Institute of Standards and Technology, Gaithersbug, Maryland, USA, Department of Physics, Wesleyan University, Middletown, Connecticut, USA.