La frattura, problema centrale dell’ingegneria
Il dottor Zapperi, esperto di spicco in fisica statistica e teoretica presso il CNR, si trova in una posizione ideale per studiare la dinamica dei materiali complessi e l’influenza delle dimensioni sulla frattura e la plasticità.
“Sono sempre stato affascinato dal modo in cui le cose si rompono in modo diverso a scale di grandezza diverse. Del resto, questo è un problema cruciale dell’ingegneria”, ha dichiarato il dottor Zapperi. “Una lastra in grafene dello spessore di un atomo, le pellicole che si usano in laboratorio oppure le strutture architettoniche, come i ponti, non si rompono allo stesso modo. Gli effetti delle dimensioni sono un fenomeno estremamente complesso e il nostro obiettivo è comprendere in che modo gli effetti collettivi, ossia i difetti atomici e le fratture nei materiali, influiscono sul loro comportamento fisico al variare delle dimensioni”.
Un settore in cui regna ancora il pragmatismo
Le conoscenze empiriche in materia di frattura e plasticità sono già piuttosto estese. “Ad esempio, gli ingegneri sanno bene come evitare che gli ascensori cadano, costruendoli molto più robusti del necessario. Questioni come queste fanno già parte del loro lavoro quotidiano, ma non ci possiamo attendere a breve termine una teoria esaustiva sulla frattura e la plasticità dei materiali” osserva il dottor Zapperi.
Con il progetto finanziato dal CER Zapperi intende individuare una legge universale che regola le statistiche sulla rottura e che sia applicabile a un’ampia gamma di materiali diversi, compresi metalli, vetro, materiali cristallini, materiali amorfi come i gel, e così via.
Prendendo ad esempio l’acqua, che bolle quando sottoposta a una quantità di calore proporzionale al suo volume, il dottor Zapperi spiega che le teorie della frattura e della plasticità non seguono lo stesso principio di proporzionalità. Non esiste un modo semplice per stimare il carico al quale un elemento di grandi dimensioni si romperà conoscendo il carico che causa la rottura di un elemento di dimensioni più piccole. Facendo riferimento alle corde di Leonardo da Vinci esposte al Museo della Scienza di Milano, Zapperi spiega che in media è probabile che corde più lunghe posseggano parti deboli e cedano a carichi inferiori. Ad esempio, una catena si romperà nel suo anello più debole. Per farla breve, dice il ricercatore, “più grande significa più debole e più piccolo significa più forte”.
Per contro, lo stress richiesto per deformare le materie plastiche (la cosiddetta forza di flessione) non dipende molto dalle dimensioni dell’oggetto. Campioni di dimensioni microscopiche, però, sono molto più forti di quelli grandi ed è anche meno facile predire il modo in cui si deformeranno.
Applicando un metodo standard chiamato “gruppo di rinormalizzazione” (RG), che consente di studiare il comportamento di un sistema a seconda delle sue dimensioni, il gruppo di ricerca prevede di comprendere meglio gli effetti delle dimensioni sulla frattura e la plasticità.
Il dottor Zapperi è convinto della rilevanza di questa ricerca proprio oggi che si producono dispositivi di dimensioni sempre più piccole: “Conoscere gli effetti delle dimensioni su materiali duttili di dimensioni microscopiche, come i metalli, potrebbe servire a controllare meglio le fluttuazioni nella loro deformazione, importante quando si producono, ad esempio, componenti di microelettronica”.
Libertà della ricerca
In merito alla sovvenzione CER, il dottor Zapperi commenta: “Una grossa parte del nostro lavoro ha a che fare con l’informatica. La sovvenzione CER è stata davvero determinante per l’avanzamento di questa ricerca perché mi ha permesso di assumere cinque collaboratori e acquistare un cluster di computer dedicati per fare le simulazioni, anziché usare computer tradizionali estremamente più lenti.” Per quanto riguarda le collaborazioni, Zapperi conclude “La sovvenzione CER ci permette di fare ricerca ad altissimo livello e di collaborare con colleghi in altri paesi, come gli Stati Uniti o la Finlandia. Trovo straordinario poter fare ricerca in modo così libero, senza dover limitare il mio lavoro in base a priorità prestabilite”.
Dettagli del progetto
Ricercatore principale: Stefano Zapperi
Istituzione ospitante: Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR), Italia
Titolo del progetto: “Size effects in fracture and plasticity (SIZEFFECTS)”
Bando CER: ERC Advanced Grant 2011
Finanziamento CER: 2,5 milioni di EUR per cinque anni
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