Milano, materiali più rigidi quando diventano ultrasottili

Un materiale può diventare più resistente proprio mentre si assottiglia fino alla scala nanometrica. È il risultato al centro dello studio guidato dall’Università Statale di Milano, che ha individuato una nuova legge universale sul comportamento meccanico dei materiali bidimensionali e dei film ultrasottili sottoposti a condizioni estreme.

La ricerca pubblicata su PNAS

Il lavoro è stato pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences ed 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 questione centrale nella fisica dei materiali: perché strutture formate da pochi strati atomici o molecolari mostrano proprietà meccaniche così diverse rispetto agli stessi materiali osservati in forma macroscopica. La risposta individuata dal team riguarda il modo in cui la materia può deformarsi quando viene confinata in spessori estremamente ridotti.

Grafene, ossidi e polimeri seguono la stessa legge

I ricercatori hanno analizzato sistemi differenti, dal grafene agli ossidi di grafene fino ai polimeri ultrasottili. Pur trattandosi di materiali molto diversi per composizione e struttura, tutti mostrano lo stesso comportamento: quando lo spessore viene ridotto alla nanoscala, la rigidità meccanica aumenta seguendo una relazione matematica precisa, inversamente proporzionale al cubo dello spessore.

Il fenomeno nasce dalla fisica microscopica delle deformazioni. Nei materiali ordinari esistono movimenti collettivi di atomi e molecole che rendono più morbida la risposta elastica. Quando il materiale diventa ultrasottile, molte di queste modalità vengono bloccate o fortemente limitate. Il risultato è un irrigidimento marcato, misurabile e comune a una vasta famiglia di materiali.

Zaccone: “Un principio comune a materiali diversi”

Secondo Alessio Zaccone, lo studio dimostra l’esistenza di un principio meccanico condiviso da materiali apparentemente lontani tra loro. Il confinamento alla nanoscala modifica in profondità la capacità del materiale di deformarsi e produce un aumento della rigidità governato da una legge universale.

Il risultato offre una spiegazione teorica unificata a molte osservazioni sperimentali emerse nel campo dei materiali bidimensionali e dei film ultrasottili. La teoria mette in relazione elasticità microscopica, dinamica vibrazionale e fisica dei materiali disordinati, aprendo un nuovo quadro interpretativo per studiare la materia quando le dimensioni scendono alla scala dei nanometri.

Applicazioni per sensori, elettronica e aerospazio

Oltre al valore scientifico, la scoperta può avere ricadute nello sviluppo di materiali avanzati leggeri e resistenti. Tra i possibili ambiti di applicazione figurano rivestimenti protettivi ad alte prestazioni, dispositivi elettronici flessibili, sensori miniaturizzati, tecnologie aerospaziali e nuove piattaforme basate su materiali bidimensionali.

Lo studio conferma il ruolo della ricerca fondamentale nella comprensione delle proprietà emergenti della materia. Alcune leggi fisiche diventano visibili soltanto quando i materiali vengono osservati e progettati su scale estremamente piccole, dove spessore, vibrazioni atomiche e deformazioni producono comportamenti inattesi.