Le Tecnologie Dietro I Fluidi Non Newtoniani

Come si sa, l'esplosione di batterie di smartphone e di altri oggetti elettronici di uso comune con conseguenze a volte drammatiche, come ustioni, incendi e persino incidenti in aereo non è una cosa rara. Questo succede quando le batterie agli ioni di litio vengono danneggiate o utilizzate impropriamente.
Un gruppo d ricercatori dell'Oak Ridge National Laboratory e della University Of Rochester hanno inventato una nuova tecnologia per ovviare a questi problemi.

Gabriel Veith, uno degli autori della ricerca, ha spiegato: "In una batteria agli ioni di litio è presente un sottile pezzo di plastica che separa i due elettrodi. Se la batteria è danneggiata e lo strato di plastica viene meno, gli elettrodi possono entrare in contatto e l'elettrolita liquido della batteria può prendere fuoco"

Per rendere queste batterie più sicure alcuni ricercatori usano un elettrolita solido non infiammabile che, però, presenta diversi problemi nel processo di produzione.
Il team di ricerca di Veith ha trovato un'alternativa, ossia mescolare un additivo all'elettrolita solitamente utilizzato, per renderlo resistente agli impatti: l'elettrolita così modificato si solidifica quando vi è un urto, prevenendo il contatto tra i due elettrodi in caso di caduta dell'oggetto o di scontro. Inoltre l'aggiunta dell'additivo non richiede grandi cambiamenti nel processo di produzione delle batterie convenzionali.


FLUIDI NEWTONIANI E NON NEWTONIANI
Ma è un qualcosa di nuovo? Di rivoluzionario? Assolutamente no.
Semplicemente i ricercatori hanno sfruttato il concetto di fluido non newtoniano.
Iniziamo un attimo dai fluidi newtoniani che sono quelli di più facile comprensione.
L'acqua ad esempio.
Se io ho un contenitore di acqua e mescoliamo la stessa con un cucchiaio è noto che l'acqua non cambia comportamento: si tratta di un liquido, sempre e comunque.
Anche l'olio ha un comportamento di questo tipo.
È detto invece non newtoniano un fluido la cui viscosità varia a seconda dello sforzo di taglio che viene applicato.
Generalmente questi fluidi si comportano come liquidi ma, se iniziamo ad applicarvi una forza, diventano solidi (superata una certa soglia).
Esempi della vita di tutti i giorni? Maionese, ketchup, gel per capelli, creme, fango, sabbie mobili, dentifricio, sangue e finanche il pudding (una specie di budino).
Se notate il gel ad esempio non "scorre", cioè sta fermo anche con tappo aperto e capovolgendolo (del resto è in uno stato solido).
Cosa facciamo per farlo scorrere ed uscire dal tubetto (stesso discorso per dentifricio ad esempio)? Applichiamo una forza sul tubetto.

Un altro esempio di fluido non newtoniano e, precisamente, di fluido dilatante, può essere realizzato miscelando acqua e amido di mais.
Versando amido di mais in una bacinella e aggiungendo dell’acqua (la proporzione deve essere di 1 kg ogni 1,25 kg di amido. Se per esempio usate 250 g di amido, vi occorreranno circa 200 g di acqua), mescolando lentamente si creerà una poltiglia simile alla pasta per torta.
Provando ad immergere lentamente un dito nel composto: esso affonderà come se fosse un liquido qualsiasi. Immergete poi il dito con una forza maggiore ed ecco la sorpresa: il liquido si indurisce all’istante al momento dell’impatto.
L’effetto sarà più evidente se cercate di colpirlo con un pugno o, ancora, se ne prendete una parte tra le mani e lo sfregate fino a creare una pallina.
Non appena smettete di sfregare, il fluido ritornerà liquido e vi cadrà dalle mani.
Trattandosi di una sospensione, il fluido perderà le sue proprietà nell’arco di qualche ora e l’amido si depositerà sul fondo. Basterà comunque mescolare ancora per riottenere lo stesso effetto.
Ad esempio immaginando di riempire una piscina con una quantità proporzionata di amido, se qualcuno vi camminasse sopra velocemente, rimarrebbe sospeso sulla superficie e potrebbe raggiungere l’altra sponda della piscina come se stesse attraversando una strada.
Questo comportamento (il fatto di diventare solido all’impatto violento) è chiamato non tissotropico.
In generale l'applicazione di una forza (per esempio stendendo la superficie con un dito o capovolgendo rapidamente il contenitore in cui è posto) induce il fluido a comportarsi come un solido più che come un liquido.
Questa è la proprietà di "ispessimento al taglio" del fluido non newtoniano.
Applicando forze più deboli, come il lento inserimento di un cucchiaio nel fluido, lo manterrà nel suo stato liquido.
Dunque una persona che applichi una forza sufficiente con i piedi, può camminare sopra un liquido di questo tipo.
Questa proprietà dipende da un colloide, una sospensione di particelle solide molto piccole presenti nel liquido.
Per la batteria i ricercatori hanno adoperato silice sospesa negli elettroliti liquidi solitamente introdotti nelle batterie agli ioni di litio.
Nel momento dell'impatto le particelle in silice (perfettamente sferiche e aventi diametro pari a 200 nanometri) si raggruppano insieme, bloccando il flusso di fluidi e ioni.
Il vantaggio maggiore coinvolge il processo di produzione delle batterie: durante la manifattura di quelle tradizionali agli ioni di litio, un elettrolita è spruzzato all'interno dello spazio in cui è riposta la batteria stessa prima che l'apparecchio venga sigillato. Ma questa procedura non è eseguibile con un fluido newtoniano che solidificherebbe appena spruzzato.
Per ovviare al problema vengono inserite prima le sfere di silice e dopo viene versato l'elettrolita: una nuova tecnica per cui stanno cercando di ottenere il brevetto.
In futuro si sta progettando di migliorare ulteriormente il sistema in modo tale che la parte della batteria danneggiata da un colpo possa rimanere solida mentre il resto dell'apparecchiatura continua a funzionare.
L'applicazione di questa tecnologia è per ora indirizzata alle batterie dei Droni ma in futuro sarà aperta anche ad altri settori.


ALTRE APPLICAZIONI
La Tech21 ha progettato una cover per Smartphone e Tablet che sfruttando lo stesso effetto dei fluidi non newtoniani, assicura i vostri dispositivi dagli urti, anche quelli più violenti.
Diversi anni fa, nel Regno Unito è stata finanziata un’azienda privata affinché producesse dei giubbotti capaci di irrigidirsi in caso di impatto, diventando impenetrabili.
I comuni giubbotti anti-proiettile garantiscono una buona (ma limitata) sicurezza, a seconda del calibro e della distanza di sparo.
Esistono però materiali rinforzati che garantiscono maggiore resistenza.
Per esempio i vetri antiproiettile, in grado di resistere alla penetrazione di una o più pallottole, non sarebbero in grado di sopportare una scarica di munizioni nello stesso punto.
Generalmente sono costituiti da due lastre di vetro intervallate da uno strato di policarbonato e una plastica deformabile in grado di assorbire l'urto.
Colpito da un proiettile, il vetro si frantuma ma non si rompe grazie alla lastra di policarbonato che disperde la forza sull'intera superficie.
Altro discorso per i giubbotti antiproiettile: all'interno di una casacca in tessuto morbido si trova una struttura costituita da una plastica deformabile (polietilene) ricoperta da strati di fibre tessili super resistenti come il kevlar che si comportano in modo analogo alle lastre di policarbonato dei vetri.

Questo materiale non si lascia attraversare, grazie al tessuto speciale di cui è composto che crea una sorta di gabbia di fili attorno al proiettile.
Esso inoltre ripartisce l'area di scarico dell'impatto su una superficie più ampia, evitando che il proiettile stesso penetri all'interno del corpo.
Inoltre alcuni modelli possiedono degli strati aggiuntivi che riducono il proiettile in parti più piccole.

In cosa però potrebbero venire in soccorso i fluidi non newtoniani?

Come detto, questi fluidi s'induriscono al momento dell’impatto ad alta velocità con il proiettile.

Una società polacca chiamata Moratex ha progettato una sorta di armatura liquida.

"Avevamo bisogno di un liquido in grado di resistere sia ai proiettili che colpiscono a 450 metri al secondo sia a quelli che raggiungono il bersaglio a velocità maggiori. La capacità di arresto del liquido combinata alla minore deviazione della superficie colpita, fornisce un livello di sicurezza più elevato rispetto a quello offerto dalle tradizionali soluzioni in Kevlar"

L’impatto del proiettile X che colpisce il tessuto balistico Y, provoca una deformazione nella superficie del giubbotto. Quest’ultimo è progettato per assorbire e disperdere sia la forza d’arresto sia la penetrazione della scheggia.

"Grazie alle proprietà della ‘crema antiproiettile’, la minaccia è azzerata del 100% per via della minore deflessione della superficie colpita, ridotta da quattro centimetri ad uno"

Le nuove armature impregnate di STF saranno molto più leggere rispetto a quelle esistenti, più comode e non intralceranno in alcun modo le capacità motorie della persona.

Allo studio, corazze impregnate di fluido magneto-reologico. 

Anche BAE Systems sta sviluppando un’armatura che combina dilatanti e Kevlar, mentre la US Army Research Lab ha condotto studi sulla proprietà antiproiettile dei liquidi non newtoniani con l'Università del Delaware.