Materiali cellulari, schiume e strutture sandwich

Il sughero, l’osso, il legno, la schiuma di un casco e il polistirolo di un imballaggio hanno una cosa in comune: sono fatti in gran parte di vuoto. Sono materiali cellulari, strutture composte da una rete di pareti e di celle piene d’aria, e questa architettura conferisce loro proprietà che il materiale pieno non avrebbe mai.

Vediamo come è fatto un materiale cellulare, perché schiume così leggere possono essere sorprendentemente utili e come riescono ad assorbire gli urti meglio dei solidi pieni.

Materiali fatti di vuoto

Un materiale cellulare è una struttura in cui un solido forma le pareti di tantissime piccole celle, mentre lo spazio interno è occupato da aria. Le celle possono essere chiuse, come bolle separate, o aperte e comunicanti, come in una spugna. La grandezza che conta di più è la densità relativa, cioè quanto è denso il materiale cellulare rispetto al solido di cui è fatto: una schiuma leggerissima ha densità relativa molto bassa.

Leggeri ma non inutili

Si potrebbe pensare che togliere materiale lasci solo un oggetto fragile, ma non è così: distribuendo il poco solido in una rete di pareti, un materiale cellulare ottiene rigidezza e resistenza per unità di peso notevoli. È il motivo per cui la natura usa strutture cellulari ovunque servano leggerezza e robustezza insieme: l’interno spugnoso delle ossa, il legno, gli steli delle piante. La stessa idea è alla base dei pannelli e delle strutture leggere dell’ingegneria.

Come si comprimono

Il comportamento più interessante si vede schiacciando una schiuma. All’inizio si comporta in modo elastico, poi le pareti delle celle iniziano a cedere e collassare una dopo l’altra: per un lungo tratto il materiale continua a deformarsi mentre lo sforzo resta quasi costante. Solo alla fine, quando le celle sono tutte schiacciate e il materiale si è “compattato”, lo sforzo risale rapidamente. Questo lungo tratto a sforzo costante è la chiave di tutto.

Perché assorbono gli urti

L’energia assorbita durante una compressione è l’area sotto la curva di sforzo. Grazie al lungo plateau, una schiuma assorbe molta energia a forza contenuta: continua a deformarsi cedendo senza che lo sforzo cresca, dissipando l’urto. È esattamente ciò che serve in un casco, in un paraurti o in un imballaggio: spalmare l’energia di un colpo su un tratto lungo e a forza limitata, proteggendo ciò che sta dietro. Un materiale pieno, invece, trasmetterebbe il colpo quasi intatto.

rigidezza e resistenza  ↑  al crescere della densità relativa (ρ/ρₛ)

Le proprietà seguono la densità

Una regolarità potente dei materiali cellulari è che le loro proprietà dipendono in modo prevedibile dalla densità relativa: più la schiuma è densa, più diventa rigida e resistente, secondo leggi di scala ben definite. Questo permette di progettare una schiuma “su misura” scegliendo la densità giusta per ottenere la rigidezza, la resistenza o la capacità di assorbire energia richieste, senza cambiare il materiale di base ma solo la quantità di vuoto.

Le strutture sandwich

Un’applicazione classica è il pannello sandwich: due sottili pelli rigide incollate a un’anima leggera e voluminosa, spesso una schiuma o un nido d’ape. È lo stesso principio della trave a doppia T: allontanando le pelli dal centro si aumenta enormemente la rigidità a flessione senza aggiungere quasi peso, perché l’anima leggera tiene distanti le pelli che fanno il lavoro. Questi pannelli sono ovunque dove serve rigidezza con il minimo peso: aerei, treni, barche, porte e ripiani leggeri. È un altro modo in cui “fare di vuoto” un materiale lo rende, a parità di peso, più prestante del pieno.

Celle aperte o chiuse, e altri usi

Non tutte le schiume sono uguali, e la differenza fra celle aperte e chiuse decide a cosa servono. Le schiume a celle chiuse, fatte di bolle separate, intrappolano l’aria e galleggiano: sono ottime per isolare dal caldo e dal freddo e per il galleggiamento, perché l’aria ferma è un pessimo conduttore di calore e non lascia passare l’acqua. Le schiume a celle aperte, invece, comunicano fra loro e lasciano passare aria e liquidi: sono quelle delle spugne, dei filtri e dei materiali fonoassorbenti, dove serve che fluidi o onde sonore entrino nella struttura. Oltre all’assorbimento degli urti e all’isolamento, i materiali cellulari trovano impiego come supporti leggeri per catalizzatori, come ossature per la rigenerazione dei tessuti in medicina, e come materiali galleggianti. La possibilità di regolare densità, dimensione delle celle e tipo di cella permette di adattare lo stesso materiale di base a scopi diversissimi. È questa versatilità, unita al risparmio di materia prima, a rendere le strutture cellulari sempre più studiate, anche con le moderne tecniche di stampa tridimensionale che permettono di disegnare l’architettura interna cella per cella.

Domande frequenti

Che cos’è un materiale cellulare?

È un solido formato da una rete di pareti che racchiudono celle piene d’aria, come schiume, sughero, legno e osso. È fatto in gran parte di vuoto, e le sue proprietà dipendono soprattutto dalla densità relativa, cioè da quanto solido contiene rispetto al materiale pieno.

Perché una schiuma assorbe bene gli urti?

Perché, schiacciandosi, le sue celle collassano una dopo l’altra mantenendo lo sforzo quasi costante per un lungo tratto. In questo modo assorbe molta energia a forza contenuta, dissipando l’urto. È il principio dei caschi, dei paraurti e degli imballaggi protettivi.

Che cos’è la densità relativa?

È il rapporto fra la densità del materiale cellulare e quella del solido di cui è fatto. Una schiuma leggerissima ha densità relativa molto bassa. Da essa dipendono in modo prevedibile rigidezza e resistenza: più è alta, più la schiuma è rigida e robusta.

Perché la natura usa strutture cellulari?

Perché distribuire poco solido in una rete di pareti dà molta rigidezza e resistenza per unità di peso. Ossa, legno e steli delle piante sono cellulari proprio per unire leggerezza e robustezza, un compromesso che un materiale pieno non potrebbe raggiungere.

Che cos’è un pannello sandwich?

È una struttura fatta di due pelli sottili e rigide incollate a un’anima leggera e voluminosa, spesso una schiuma o un nido d’ape. Allontanando le pelli dal centro aumenta moltissimo la rigidità a flessione senza aggiungere peso: è usato in aerei, treni e barche.