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Multi-scale modelling of waves of porous media with applications to acoustic control and biomechanics

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Un progetto dell’UE sperimenta una nuova tecnica per l’analisi dei materiali

Ricercatori finanziati dall’UE hanno ampliato la portata della modellazione delle onde per prevedere con precisione il comportamento di alcuni materiali porosi. Questo potrebbe rendere più facile lo sviluppo di nuove attrezzature industriali high tech, diagnosi mediche più precise e nuove scoperte geologiche.

Ricerca di base

“La struttura interna di alcuni materiali può essere molto complessa,” spiega il coordinatore del progetto MUSAL (Multi-scale modelling of waves of porous media with applications to acoustic control and biomechanics), il professor Graham Rogerson dell’Università di Keele nel Regno Unito. “Un buon esempio è un tipo di materiale conosciuto come materiale poroso eterogeneo che contiene vuoti. Le ossa umane sono un buon esempio di questo materiale presente in natura.” Materiali porosi eterogenei sono stati sviluppati anche sinteticamente per rispondere a specifiche esigenze dell’industria, per esempio come efficaci materiali di isolamento dal rumore. “I materiali eterogenei si comportano in modo diverso rispetto ai solidi eterogenei,” continua Rogerson. “La comprensione dei loro straordinari effetti ha portato alla progettazione e allo sviluppo di nuovi dispositivi di ingegneria. Tra questi assorbenti acustici, trasduttori ultrasonici e trasmittenti nell’industria aerospaziale e automobilistica.” Ritratto identificativo Il progetto biennale MUSAL, finanziato dall’UE, è stato lanciato nel 2015 per valutare l’applicazione della modellazione elastica delle onde su mezzi eterogenei e se questa potesse essere ampliata per prevedere in modo preciso ed efficace il comportamento e le proprietà di certi materiali. Uno dei vantaggi chiave è che i dati dell’onda raccolti possono essere interpretati e valutati senza bisogno di analisi invasive. “Il modello della propagazione dell’onda in mezzi eterogenei potrebbe essere molto ultile per l’ingegneria meccanica e civile per esempio, perché costituisce un metodo non distruttivo per testare materiali e strutture,” dice Rogerson. L’andamento delle onde rappresenta una specie di “ritratto identificativo” unico per ogni materiale. Più è grande la gamma di frequenza che si può studiare, più sarà preciso il “ritratto”. Allargando tale gamma, il progetto MUSAL ha creato la possibilità di rilevare piccolissime variazioni nella microstruttura di un materiale e sviluppare nuovi metodi più precisi di diagnosi acustica. “Finora, molti approcci teorici alla propagazione delle onda in mezzi eterogenei erano applicabili solo in pochi casi limitati,” dice Rogerson. “Abbiamo sviluppato nuovi modelli teorici che sono applicabili in una più ampia gamma di frequenza.” Applicazioni industriali Nel corso del progetto sono state trovate soluzioni a diverse sfide riguardanti esempi specifici. Tra i potenziali utenti finali ci sono gli ingegneri, che possono impiegare direttamente la metodologia elaborata dal progetto per progettare nuovi tipi di materiali e dispositivi per varie applicazioni nell’industria, la medicina e la geofisica. Nel settore della biomeccanica per esempio, tessuto vivo – come l’osso – può essere modellato con materiali porosi. Secondo le stime dell’Agenzia esecutiva per i consumatori, la salute, l’agricoltura e la sicurezza alimentare dell’UE, il 22 % della popolazione dell’UE soffre di problemi a lungo termine a muscoli, ossa e giunture, che causano significativi problemi economici e sociali. “Molte persone in tutto il mondo soffrono di osteoporosi, una malattia progressiva delle ossa che è caratterizzata da una diminuzione della massa e della densità delle ossa,” dice Rogerson. “Poiché l’osteoporosi in sé non ha sintomi, l’analisi della struttura dell’osso usando test non invasivi è molto difficile.” Il progetto MUSAL ha dimostrato una correlazione tra la velocità dell’onda e la densità dell’osso. Questo potrebbe essere usato per la diagnosi precoce dell’osteoporosi, per rallentare o persino fermare la progressione della malattia grazie a un intervento e a cure tempestive. “I risultati ottenuti e le metodologie elaborate potrebbero avere implicazioni di lunga portata per la diagnosi e il monitoraggio di una serie di malattie croniche di ossa e giunture,” dice Rogerson. Lo studio della propagazione delle onde in materiali porosi potrebbe essere importante anche per le esplorazioni geologiche. Capire meglio come la consistenza interna del suolo e delle rocce influenza le caratteristiche delle onde elastiche che li attraversano potrebbe aiutare a sviluppare nuovi metodi validi per scoprire riserve di gas e petrolio. Ancora una volta questo sottolinea le implicazioni di ampia portata del lavoro pioneristico condotto dal progetto MUSAL.

Parole chiave

MUSAL, onda, modellazione, poroso, materiale, osso, osteoporosi, terreno, roccia, geologia, industria

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