Corsi 2021

La stampa 3D ha aperto la possibilità di creare parti funzionali per l'uso finale di una complessità che non potrebbe essere raggiunta con le tecnologie di produzione tradizionali. Rappresenta quindi un passo promettente verso modi di ottimizzare e risparmiare materiali, ridurre costi e impatto ambientale.
Mentre la produzione additiva viene continuamente migliorata, una parte significativa della ricerca è dedicata alla progettazione ottimale di materiali compositi e micro-architettati con proprietà senza precedenti.
Questo corso presenterà alcuni strumenti matematici avanzati per modellare sia il comportamento elastico che quello inelastico dei solidi, e applicazioni relative alla tecnologia ingegneristica della produzione additiva.
In particolare, la gamma-convergenza giustifica rigorosamente l'uso di modelli di campo di fase per approssimare la crescita di crepe quasi statiche in materiali fragili. Per identificare parametri significativi o cavità per prevedere la forma ottimale di un oggetto stampato, sarà considerata l'ottimizzazione topologica.
Le proprietà meccaniche dei materiali e delle strutture ottenute con questi metodi saranno analizzate, e particolare attenzione sarà dedicata allo studio dei fenomeni di instabilità nei compositi periodici e alla propagazione delle onde elastiche nei materiali micro-architettati.
Le proprietà di frattura efficaci dei solidi eterogenei saranno studiate in vista dell'applicazione delle tecniche di stampa 3D per progettare materiali con proprietà di rottura migliorate. I metodi numerici utilizzati in questo contesto saranno anche presentati.
Il corso è rivolto a studenti di master, dottorandi, postdoc e giovani ricercatori. Può essere di interesse anche per ingegneri e professionisti in quanto fornisce una panoramica sugli strumenti alla base dei metodi numerici ampiamente utilizzati nella pratica.

Comprendere la dinamica degli strati fluidi planetari e stellari - inclusa l'atmosfera della Terra e di altri pianeti, i nuclei di ferro e le zone convettive e radiative stellari - rimane una straordinaria sfida interdisciplinare, basata su conoscenze comuni nella meccanica dei fluidi fondamentale. Alcune delle numerose domande aperte includono:
• Quali sono i meccanismi fisici di base responsabili della circolazione climatica e come possono essere parametrizzati per
prevedere in modo affidabile i cambiamenti climatici globali?
• Quali sono gli equilibri di forze prevalenti e i meccanismi fisici dietro le caratteristiche naturali su larga scala come la Grande Macchia Rossa di Giove e le bande?
• Quali sono le forze motrici e i regimi di flusso rilevanti nei nuclei planetari conduttivi per spiegare la generazione di campi magnetici su larga scala tramite azione dinamo?
• Come vengono generati i vari tipi di onde che si propagano negli interni stellari, quale influenza hanno sull'evoluzione stellare e come possono essere utilizzate per sondare gli interni tramite asteroseismologia?
La ricerca interdisciplinare nella dinamica dei fluidi geo- e astrofisici è intrinsecamente multi-metodo. Infatti, il principale ostacolo alla modellazione quantitativa e alla comprensione dei flussi planetari e stellari risiede nel carattere estremo dei parametri adimensionale coinvolti. Gli studi pertinenti si basano quindi sul principio della similitudine dinamica e delle leggi di scala, sostenuti da teoria, esperimenti e simulazioni numeriche.
Molti sforzi di ricerca sono stati dedicati alla comprensione dei flussi planetari e stellari all'interno delle varie comunità di Meccanica, Matematica Applicata, Ingegneria, Fisica, Scienze Planetarie, Atmosferiche e della Terra, e Astrofisica. Ma i progressi sono stati per lo più confinati a ciascun dominio separato, con solo una marginale fecondazione incrociata. L'obiettivo di questa scuola è andare oltre questo stato, fornendo ai partecipanti un'introduzione globale e una panoramica aggiornata di tutti gli studi pertinenti, affrontando completamente la vasta gamma di discipline e metodi coinvolti.
Il corso sarà organizzato in tre parti. La prima si concentrerà sugli aspetti fondamentali della meccanica dei fluidi nei flussi geo- e astrofisici, includendo materiale introduttivo così come ricerche all'avanguardia attuali, con un focus su instabilità, turbolenza e onde. La seconda parte si concentrerà su applicazioni concrete a problemi geo- e astrofisici attuali, con lezioni focalizzate sugli interni planetari, atmosfere e stelle. Infine, la terza parte coinvolgerà sessioni numeriche pratiche utilizzando il risolutore open-source Dedalus (http://dedalusproject.org). I partecipanti
impareranno a impostare e eseguire simulazioni numeriche sui loro laptop relative ai problemi di ricerca discussi nelle
lezioni.
Il pubblico target per questa scuola è costituito da studenti di dottorato, postdoc e giovani ricercatori, che lavorano in dipartimenti di Meccanica, Matematica Applicata, Ingegneria, Fisica, Scienze Planetarie, Atmosferiche e della Terra, e Astrofisica. Si presuppone che ogni partecipante abbia una formazione in dinamica dei fluidi, ma non sarà richiesta alcuna conoscenza specifica in uno dei domini applicativi o nei metodi computazionali. Ogni partecipante avrà l'opportunità di presentare il proprio lavoro durante una presentazione flash, seguita da una sessione di poster.

I compositi rinforzati con fibra sono sempre più utilizzati nell'industria aerospaziale e automobilistica per affrontare le sfide del contenimento del peso e soddisfare elevati standard di prestazione. I processi di fabbricazione sono essenziali per la qualità del composito finale. La simulazione dei processi di fabbricazione dei compositi richiede analisi sperimentali e modellazione delle trasformazioni coinvolte. Queste simulazioni possono prevenire un disegno di processo "a tentativi ed errori" che richiede tempo e risorse. Durante il processo, i fenomeni riguardano materiali fibrosi in grande deformazione e il flusso di resina nel rinforzo fibroso. Dipendono dal trasferimento di calore e talvolta da cambiamenti di fase.
L'analisi sperimentale, la modellazione e la simulazione dei fenomeni fisici durante la formazione dei compositi sono gli obiettivi del corso. Si occuperà in particolare di materiali compositi per parti strutturali. Sarà considerata l'analisi della formazione del rinforzo senza resina (preforma secca) e con resina non indurita (prepreg), così come la termomeccanica e la consolidazione del composito durante la formazione del prepreg e i processi di flusso nei materiali compositi.
Questo corso è rivolto a studenti di dottorato e studenti di master nel campo dell'ingegneria dei compositi. I ricercatori interessati alla formazione dei compositi sono anche invitati a partecipare a questo corso.
I punti principali che saranno trattati in questo corso sono i seguenti:
1. Drappeggio di preforme fibrose e prepreg.
La formazione di rinforzi in fibra continua porta a problemi meccanici specifici a causa dello scivolamento relativo tra le fibre e della quasi inestensibilità delle fibre. I seguenti argomenti sono inclusi in questo tema:
• Test meccanici per rinforzi fibrosi (taglio, tensione biaxiale, flessione, compattazione trasversale)
• Legge costitutiva per rinforzi tessili (iperelasticità, iperviscoelasticità…)
• Simulazioni della deformazione delle preforme a scala macro, meso e microscopica
• Elementi finiti specifici, bloccaggio dei materiali tessili
• Misurazioni di deformazione a campo completo (DIC) e analisi Micro CT della geometria interna
• Oltre l'approccio classico di Cauchy. Meccanica dei continui generalizzata
2. Stampaggio di compositi liquidi
Uno dei metodi di produzione di compositi più efficienti è impregnare il rinforzo in fibra (la preforma) mediante flusso liquido di materiale matrice. L'analisi e la simulazione di questo flusso all'interno della preforma fibrosa costituiscono un ampio campo scientifico necessario per la modellazione dei processi di produzione dei compositi.
• Permeabilità (misura e virtuale)
• Modelli di flusso multi-scala
• Saturazione
• Indagine tramite CT a raggi X
• Tecniche di simulazione: FE-Control Volume, FE-Level Set, Pure FE
3. Termomeccanica, Termocinetica e Accoppiamenti
I processi di formatura dei compositi vengono eseguiti ad alta temperatura e il legame tra il comportamento meccanico e termico è importante. La consolidazione e la cristallizzazione della resina sono anche collegate alla deformazione di formatura.
• Modelli e algoritmi multi-scala e multi-fisici
• Indurimento, cristallizzazione, polimerizzazione
• Stress residui
• Algoritmo di accoppiamento

Le simulazioni numeriche stanno diventando uno strumento indispensabile in molte applicazioni che coinvolgono la lavorazione, la produzione e le prestazioni di materiali metallici e compositi. Gli strumenti corrispondenti si basano su un numero di relazioni fondamentali che sono state estratte dalla meccanica (e dalla fisica sottostante). Queste relazioni sono universali rispetto ai materiali, ma non sono adeguate per risolvere problemi di valore al contorno in cui le descrizioni costitutive di deformazione e fallimento sono essenziali.
Le descrizioni costitutive devono tenere conto non solo dei meccanismi fisici, ma anche dei dati di input necessari per l'identificazione dei coefficienti del materiale. Pertanto, per raggiungere questo obiettivo, la relazione tra le variabili e le loro velocità deve conformarsi alla risposta dei materiali nel quadro stabilito dai principi meccanici e termodinamici. Una descrizione puramente numerica, che collega lo stato di un materiale a un insieme di dati, è probabile che sia empirica. Porta a un'estrapolazione inaffidabile degli stati, che non sono inclusi nel database.
Altre considerazioni sui modelli costitutivi riguardano la scala delle caratteristiche materiali necessarie, la dimensione della struttura e il tempo di calcolo associato. La scala è dettata dalla più piccola informazione microstrutturale necessaria per caratterizzare un prodotto, ad esempio, la dimensione del grano, che poi entra nelle simulazioni a scala meso. È possibile immaginare casi in cui sono necessari dettagli a una scala più fine, ad esempio per la produzione di micro-dispositivi. Anche se l'idea di definire la descrizione costitutiva a partire dalla scala atomica è scientificamente e filosoficamente molto attraente, di solito non è pratica.
Il corso si concentrerà sulle descrizioni degli stati critici per materiali metallici avanzati e compositi. Gli approcci adottati a questo scopo possono essere categorizzati come segue: fortemente basati sulla Meccanica dei Continui, incorporando conoscenze di microstruttura e applicando omogeneizzazione e altri approcci numerici. Il corso introdurrà gli approcci classici e tratterà i nuovi sviluppi in modo critico. Ovviamente, l'applicazione di materiali avanzati si basa su relazioni costitutive efficienti e fisicamente fondate.
I seguenti argomenti specifici saranno trattati: Comportamento plastico a carico non proporzionale incorporando l'influenza delle caratteristiche microstrutturali rilevanti, simulazione numerica della deformazione dei metalli degli acciai ad alta resistenza avanzati, terminazione dell'intervallo elastico di materiali insensibili e sensibili alla pressione, criteri di snervamento/fallimento iniziali anisotropi vs. isotropi, componenti strutturali sottoposti a temperature elevate, carichi ciclici meccanici e termici sui componenti in condizioni di creep, modello di miscela di fasi per simulare il comportamento meccanico degli acciai martensitici temprati ad alte temperature, ma con carichi meccanici moderati, metodi di discretizzazione per solidi elastoplastici, integrazione dei modelli di plasticità per passi di carico finiti, bloccaggio volumetrico per flusso plastico completamente sviluppato, modellazione basata su meccanismi del fallimento nei materiali compositi, aspetti di base della meccanica della frattura e criteri di frattura e danno.
Il corso è rivolto agli studenti del Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica e Civile, nonché in Meccanica Computazionale, dottorandi, giovani scienziati e ingegneri di ricerca.

I moderni superconduttori a bassa e alta temperatura sono ampiamente utilizzati per costruire strumenti scientifici tecnologicamente avanzati, inclusi dispositivi medici e mezzi di trasporto di massa o linee di trasmissione di energia a bassa perdita. I superconduttori a bassa temperatura di tipo II, utilizzati massicciamente per costruire magneti superconduttori che operano in elio liquido (4.2 K) o superfluido (sotto 2.17 K), sono leghe a base di niobio e composti intermetallici, ad esempio Nb-Ti, Nb3Sn, o composti a base di magnesio più recenti come il diboruro di magnesio MgB2.
Un'altra classe popolare di materiali superconduttori sono i superconduttori ad alta temperatura, come i REBCO a base di terre rare (RE) o i BiSCCO a base di bismuto, che vengono applicati a temperature molto più elevate, fino alla temperatura dell'azoto liquido (77 K).
In generale, i superconduttori a bassa temperatura vengono utilizzati per costruire bobine superconduttrici, formando le parti più critiche di complessi magneti superconduttori, e integrati in strumenti di Imaging a Risonanza Magnetica (MRI) o risonanza magnetica nucleare (NMR), o magneti per grandi esperimenti scientifici come acceleratori di particelle superconduttori e dispositivi di fusione. Anche se i superconduttori ad alta temperatura hanno proprietà eccezionali ad alto campo, finora la loro applicazione è stata limitata a cavi superconduttori e conduttori di corrente, trasferendo la corrente da condizioni di temperatura ambiente a condizioni criogeniche.
Il presente corso è focalizzato principalmente sui superconduttori a bassa e alta temperatura. I contenuti spaziano dalla microstruttura del materiale e dalla descrizione costitutiva a reali applicazioni su larga scala negli acceleratori di particelle (ad es. Large Hadron Collider, LHC), o nei moderni dispositivi di fusione (ad es. Reattore Termonucleare Sperimentale Internazionale, ITER Tokamak).
Il corso inizia con un'ampia introduzione ai superconduttori (materiali, tipi di superconduttori, centri di pinning del flusso, parametri della superficie critica, ecc.), copre il background fisico della superconduttività (transizione di fase, effetto Meissner, teoria BCS, meccanismo di Cooper, effetto Josephson, ecc.), le proprietà fisiche, meccaniche e termodinamiche dei superconduttori a bassa e alta temperatura (ad es. l'effetto delle deformazioni sulla superficie critica).
Successivamente, viene sviluppato il modello costitutivo dei superconduttori e dei materiali di rivestimento e strutturali correlati che operano a temperature estremamente basse, inclusa la trasformazione di fase indotta da deformazione plastica, il flusso plastico discontinuo e l'evoluzione dei campi di micro-danno (di origine tecnologica e da radiazione). Infine, viene spiegata l'interazione tra superconduttori e campi magnetici, e si discute l'ottimizzazione delle bobine superconduttrici in relazione alla qualità del campo magnetico. Il corso si conclude con le applicazioni più recenti dei moderni superconduttori negli strumenti e dispositivi tecnologicamente avanzati (ad es. acceleratori di particelle, strumenti di imaging medico, dispositivi energetici basati sulla fusione, ecc.).

Gli approcci classici alla modellazione e simulazione nella meccanica dei solidi si basano fortemente su modelli costitutivi. Questi forniscono equazioni costitutive, che completano le equazioni di bilancio dei problemi di campo o di valore al contorno. Ampi sforzi di ricerca in corso sono dedicati nella comunità scientifica a sintonizzare e migliorare continuamente i modelli e le equazioni costitutive per varie classi di materiali e vari regimi di sollecitazione (ampiezze e tassi di carico, temperatura, chimica, ...), così come a identificare i parametri associati. I modelli costitutivi presentano quindi una grande diversità che abbraccia un'ampia gamma di applicazioni, eppure questa varietà suggerisce anche l'incertezza epistemica intrinseca portata da questi modelli. Se l'incertezza associata ai parametri costitutivi può essere quantificata, l'incertezza associata ai modelli stessi è molto più difficile da misurare. Da un punto di vista più storico, i modelli costitutivi sono stati inizialmente concepiti per generalizzare le osservazioni sperimentali fatte su regimi di carico specifici (tipicamente omogenei) a carichi più generali. Con i recenti progressi nelle tecniche di imaging, le osservazioni sperimentali sono oggi molto più ricche di informazioni e i modelli costitutivi esistenti sono talvolta incompatibili con questa abbondanza di dati. Approcci basati sui dati sono stati recentemente sviluppati per sfruttare meglio i grandi volumi di misure sperimentali moderne, cercando di evitare il bias indotto dai modelli costitutivi. Il presente corso si concentrerà su un approccio globale basato sui dati, evitando completamente l'uso di modelli (modelli statistici o modelli costitutivi), che potrebbero quindi essere etichettati come privi di modelli.
Il corso proposto costituirà un'introduzione coerente e completa al paradigma basato sui dati e senza modello per la meccanica dei solidi computazionale. Dopo un'introduzione generale al paradigma basato sui dati e a come esso differisca fondamentalmente dal paradigma classico, il corso porterà gli studenti dall'acquisizione di ricchi set di dati meccanici, in particolare da immagini, alla simulazione numerica basata sui dati nella meccanica non lineare delle strutture. Durante il percorso, verranno trattati aspetti importanti come le basi matematiche dei metodi basati sui dati e di apprendimento automatico, e la necessità e i modi per tenere conto della natura stocastica e imperfetta dei dati reali. Dati abbondanti vengono generati anche negli approcci multi-scala, e il corso discuterà di come il paradigma basato sui dati possa essere rilevante anche in quel contesto. Infine, verranno discussi le attuali sfide nel trattare le non linearità e i comportamenti dipendenti dalla storia.
Il corso includerà anche una serie di sessioni pratiche, in cui gli studenti sperimenteranno l'approccio basato sui dati, partendo da una serie di immagini da cui estrarre dati, elaborarli per costruire un database di materiali e utilizzare questo database in una simulazione basata sui dati. Sarà proposta anche una sessione di formazione pratica sulla codifica di algoritmi orientati ai dati nel framework open source di apprendimento automatico TensorFlow™. Il software pertinente sarà fornito ai partecipanti per l'installazione sui propri computer.

Negli ultimi due decenni, numerosi ricercatori in una vasta gamma di campi hanno dedicato crescenti sforzi per progettare nuovi materiali compositi con proprietà accoppiate migliorate. La maggior parte di questi sforzi si è concentrata su materiali organici morbidi a causa del loro potenziale di subire grandi deformazioni reversibili quando sottoposti a una varietà di stimoli esterni, come campi elettrici e magnetici, variazioni di temperatura e cambiamenti chimici. L'attenzione di questo corso sarà sulle elettro- e magnetomeccanica dei materiali e delle strutture composite morbide. Questi possono comprendere microstrutture gerarchiche e/o micro-architetture che si estendono su diverse scale di lunghezza, dal nano al centimetro.
L'attenzione del corso sarà sugli elastomeri magnetoreologici (MRE) e sui compositi di elastomeri dielettrici (DEC), che sono materiali compositi che comprendono nano- e micro-particelle ferromagnetiche e ad alta dielettricità/conduzione incorporate in una matrice polimerica morbida. Questo dà origine a una risposta magneto- e elettromeccanica accoppiata su scala macroscopica (ordine di millimetri e superiori) quando sono sottoposti a stimoli esterni magneto-elettromeccanici. Sebbene tali materiali e dispositivi MRE e DEC possano diventare instabili a un certo carico elettro-magneto-meccanico critico, la loro risposta può essere ben controllata nel regime post-instabilità. Questa caratteristica motiva il funzionamento di questi dispositivi in questa regione instabile per ottenere formazioni di pattern controllate, movimento robotico morbido e muscoli artificiali, proprietà acustiche ed elettromagnetiche a banda controllabile, raccolta di energia e rigidità attivamente controllata (per la crescita cellulare).
I temi di questa Scuola Avanzata includeranno la presentazione di tecniche sperimentali di fabbricazione e test per MRE e DEC, la derivazione di formulazioni variazionali accoppiate termodinamicamente consistenti, l'implementazione numerica e l'analisi di MRE e DEC così come della loro stabilità utilizzando tecniche di omogeneizzazione, omogeneizzazione teorica accoppiata e teorie fenomenologiche del continuo. Il corso enfatizzerà l'importanza di un approccio integrato sperimentale-analitico-numerico attraverso le scale di lunghezza rilevanti.
Il Corso consisterà in lezioni introduttive sugli aspetti teorici di tali materiali, seguite da lezioni su argomenti più specializzati tenute da esperti eminenti nel campo degli esperimenti, della modellazione fenomenologica e micromeccanica di compositi e strutture attive, instabilità e raccolta di energia. Il corso si concluderà con esempi recenti che mostrano la combinazione necessaria ma anche potente di esperimenti, numerica e teoria per studiare la risposta di MRE e DEC e le loro instabilità.
La Scuola è rivolta a dottorandi, post-doc e ricercatori all'inizio della carriera con interesse per materiali morbidi attivi. Il corso è progettato per fornire un punto di vista integrato sperimentale, numerico e teorico su tali sistemi materiali innovativi, così come possibili direzioni future di ricerca in questo campo.

Il corso è un'esplorazione dei recenti progressi teorici, sperimentali e numerici nella modellazione delle sospensioni granulari non-Browniane. La ricerca è principalmente motivata dal crescente interesse scientifico e ingegneristico nei flussi geofisici a causa del cambiamento climatico e del grave impatto degli eventi catastrofici idro-geologici sulle attività socio-economiche. Tra i fenomeni geofisici, il corso si concentra sui flussi di detriti sub-aerei e sub-acquei saturi d'acqua, flussi iper-concentrati, correnti di torbidità sottomarine, movimenti di suolo simili a fluidi in frane, così come sul trasporto di sedimenti nei fiumi e lungo le rive di laghi e oceani, sia sul fondo che in sospensione.
Infatti, la presenza di un liquido, che satura gli interstizi tra i granuli, espande notevolmente lo spazio dei parametri dei flussi granulari, la miscela mostrando comportamenti tipici di fluidi viscosi a taglio ridotto o di flussi granulari densi a seconda essenzialmente della distanza media tra le particelle solide (cioè la concentrazione delle particelle), della velocità relativa delle particelle e delle proprietà elettro-chimico-meccaniche dei componenti della miscela.
L'obiettivo del corso è l'indagine del problema puramente idraulico, quindi il liquido è acqua mentre le particelle sono in generale grossolane e inerti (non colloidali e non adesive) e, pertanto, si considerano solo le loro proprietà meccaniche. Tuttavia, è previsto anche un breve excursus sulla reologia di sospensioni più complesse per completezza.
L'apertura del corso è dedicata a evidenziare le sorprendenti differenze tra i flussi granulari (secchi) e le sospensioni granulari. Le sospensioni granulari vengono prima classificate sulla base della velocità relativa delle particelle, ovvero del numero di Reynolds delle particelle, in "viscose" e "inerti", che determina la natura delle interazioni fluido-solido dominanti. Successivamente, si distinguono le "sospensioni diluite", "semi-diluite" e "sospensioni viscose dense" che differiscono nella concentrazione numerica delle particelle e, quindi, nel ruolo dei contatti inter-particellari. La dinamica delle sospensioni granulari sotto diverse condizioni al contorno/iniziali così come diverse forze motrici viene studiata e modellata, evidenziando i più recenti progressi nel soggetto. Vengono considerati approcci continui e discreti. L'approccio continuo comprende una fase singola, anche definita come "fluido efficace singolo", o due fasi che indica che viene adottata la "teoria delle miscele". Per quanto riguarda l'approccio discreto, richiede necessariamente l'uso di metodi numerici per risolvere le equazioni di continuità e di momento accoppiate fluido-particella. L'accoppiamento e i contatti inter-particellari possono essere ottenuti con un approccio a particella puntiforme o, per "grandi particelle", risolvendo completamente il campo di flusso attorno alle particelle. Vengono considerati anche gli effetti dovuti alla presenza di vortici turbolenti, alla polidispersione delle dimensioni delle particelle e alla forma delle particelle. Infine, vengono descritti e applicati modelli ai flussi geofisici sopra menzionati.

Lo scopo di questo corso è fornire una panoramica all'avanguardia delle teorie fondamentali, dei modelli consolidati e della ricerca in corso relativi ai fenomeni di instabilità e biforcazione nei solidi che subiscono deformazioni finite, inclusi gli effetti dei campi elettrici e della crescita. Il corso sarà organizzato attorno a diversi temi complementari e interattivi. Verrà presentata una panoramica completa della teoria del continuum dei materiali soggetti a grandi deformazioni, comprese le equazioni costitutive dell'elasticità non lineare, dell'elastoplasticità, dei solidi di Cosserat, dell'elettroelasticità, dei materiali a stress residuo e rinforzati con fibre, e della crescita nei sistemi biologici.
La teoria generale della biforcazione, dell'instabilità e della non unicità nel contesto della teoria del continuum dei solidi sarà discussa come il contesto per applicazioni a esempi specifici.
Le equazioni che governano i campi di deformazione incrementale linearizzati sovrapposti a una configurazione deformata finita nota saranno evidenziate. I tensori dei moduli elastici per materiali isotropi e anisotropi saranno derivati, inclusa la loro importante specializzazione incomprimibile, e saranno fornite espressioni associate per le equazioni costitutive incrementali e le condizioni al contorno. Queste sono necessarie per l'analisi della possibile biforcazione della configurazione di equilibrio in schemi periodici e saranno applicate per ottenere risultati specifici per leggi costitutive esemplari.
Le applicazioni particolari che saranno descritte riguardano instabilità di tipo diffuso nei materiali, nelle superfici, nelle interfacce e nella flessione. Sarà introdotta la nozione di forte ellitticità e saranno descritti fenomeni, come l'apparizione di bande di taglio, associati alla perdita di ellitticità delle equazioni governanti. I fenomeni di biforcazione localizzati saranno esaminati in dettaglio, inclusi il rigonfiamento localizzato di tubi, il rientro di piastre, la formazione di bande di taglio, le pieghe e le piegature. Saranno fornite formulazioni numeriche appropriate per illustrare le soluzioni per una gamma di problemi specifici di valore al contorno.
Sarà fornito un riepilogo delle equazioni chiave dell'elettroelasticità, portando alle corrispondenti formulazioni incrementali dell'elettroelasticità. In questo contesto, la formazione di pieghe in un sottile film di elastomero dielettrico, trattato come un attuatore prototipo, può essere generata dall'applicazione di un potenziale elettrico tra elettrodi conformi sulle superfici del film, portando a instabilità di pull-in e rottura dielettrica, rendendo quindi l'attuatore inefficace. Pertanto, l'analisi di tali instabilità sarà inclusa nel corso poiché è importante per la progettazione e l'integrità di tali dispositivi.
I metodi di analisi della stabilità hanno una vasta applicabilità nel contesto della meccanica dei tessuti molli, in particolare in relazione alle instabilità associate alla crescita e al rimodellamento. Nella crescita e nello sviluppo, le instabilità sono utilizzate in modo costruttivo dalla natura per la formazione di strutture, come nel ripiegamento dei tessuti per formare diverse parti del cervello. Saranno inoltre discussi aspetti di stabilità e instabilità che si riferiscono alla crescita e al possibile sviluppo di patologie.
Il corso è rivolto a dottorandi e ricercatori post-dottorato in ingegneria meccanica, civile ed elettrica, scienza dei materiali, fisica applicata e matematica applicata, ricercatori accademici e industriali e ingegneri praticanti.

Nell'ingegneria e nei campi correlati, si assume tipicamente linearità o debole non linearità. Questi approcci richiedono soluzioni lineari generative per l'applicazione di mediazione o asintotiche multi-scala. Tuttavia, rigidità o smorzamenti non lineari forti o anche non linearizzabili si verificano spesso nella pratica ingegneristica, ad esempio, a causa di giochi, impatti, attrito, composizione dei materiali o geometria/cinematica, con risposte non lineari che spesso non hanno analoghi nella teoria lineare o debolmente non lineare. Tuttavia, le esigenze sempre più accelerate per sistemi ingegneristici più leggeri, veloci, compatti, robusti e ad alte prestazioni pongono pesanti richieste per l'espansione continua degli involucri di prestazione in ambienti difficili, incerti e poco prevedibili. Queste esigenze non possono essere affrontate dagli approcci attuali, e ciò richiede un nuovo concetto che cambi il paradigma basato sullo sfruttamento della forte non linearità per aprire nuove strade senza precedenti per un design efficace e robusto in modi finora inaccessibili nei contesti tradizionali.
Negli ultimi due decenni, lo sfruttamento di forti non linearità è stato attivamente esplorato in campi come l'assorbimento e la raccolta di energia, la propagazione delle onde, la modulazione e l'arresto, la mitigazione di esplosioni e sismi, i micro- e nano-resonatori, le interazioni fluido-struttura e la progettazione di metamateriali acustici. Tuttavia, l'analisi predittiva di sistemi fortemente non lineari è ancora una grande sfida, poiché, a parte rari casi di integrabilità, mancano soluzioni esatte o anche approssimative. Esistono alcuni metodi per soluzioni stazionarie, ad esempio, modi normali non lineari e respiratori discreti, ma i processi non stazionari sono più difficili da modellare e comprendere; tuttavia, in molte applicazioni tali processi sono altamente importanti. Pertanto, l'idea di sfruttare forti non linearità in sistemi dinamici e acustici è passata da alcuni primi lavori teorici a un corpo teorico ed esperimentale diversificato di ricerca attuale, e il campo ora sembra maturo abbastanza da giustificare un corso avanzato CISM. La necessità di un tale corso è ulteriormente sottolineata dal fatto che tenere conto, comprendere e progettare con le non linearità sta diventando una tendenza universale emergente nella pratica ingegneristica, e si prevede che lo sarà ancora di più in futuro. Di conseguenza, l'obiettivo di questo corso è fornire le ultime idee e approcci nei sistemi dinamici e acustici fortemente non lineari, e discutere strumenti di modellazione appropriati ed esempi pratici che evidenziano gli aspetti non standard e non stazionari di quest'area sfidante, ma così promettente.
Il corso è strutturato attorno a tre principali temi didattici: (i) Fondamenti – Nozioni di base, concetti, modelli e problemi di riferimento nei sistemi fortemente non lineari (Gendelman, Rega, Vakakis); (ii) Metodologia – Strumenti analitici e numerici avanzati per sfruttare la dinamica e l'acustica fortemente non lineari (Cochelin, Gendelman, Kerschen, Rega, Vakakis); e, (iii) Applicazioni – Affrontare problemi pratici e diversificati in cui le idee e i metodi relativi alla forte non linearità diventano necessari (Cochelin, Kerschen, Krack, Vakakis, Vestroni). Il corso è rivolto a studenti laureati, docenti interessati, ricercatori e professionisti.

Sia nell'oceano che nell'aria, gli organismi biologici interagiscono con un fluido circostante, e queste interazioni sono spesso critiche per la loro sopravvivenza. Come fanno questi organismi a percepire i flussi circostanti? Come reagiscono a queste informazioni sensoriali? E quali sono le forze applicate dai flussi agli organismi? Oggi, molti di questi problemi di interazione fluido-struttura non sono completamente compresi e molti sforzi di ricerca sono dedicati a svelare i complessi meccanismi in gioco.
Alla scala più piccola ci sono i batteri. Anche se sono le cellule più piccole del mondo, rappresentano la maggior parte della biomassa mondiale. La maggior parte dei batteri è mobile e nuota con flagelli, che consistono in appendici elicoidali sottili ruotate da motori specializzati. Forniremo una panoramica del sistema di motilità per i batteri, del legame tra stato osmotico chimico interno e trasduzione sensoriale a livello molecolare, e del comportamento delle cellule nei flussi.
Su scala più ampia, esamineremo il plancton. Le tre principali missioni di qualsiasi organismo (crescere, riprodursi e sopravvivere) dipendono dagli incontri con il cibo e i partner, e dall'evitare incontri con i predatori. Attraverso la selezione naturale, il comportamento e l'ecologia degli organismi planctonici si sono evoluti per ottimizzare questi compiti. Offriremo un approccio meccanicistico allo studio dell'ecologia oceanica esplorando le interazioni biologiche nel plancton a livello individuale.
Affronteremo poi il volo degli insetti. Partendo dalle equazioni di Navier-Stokes che governano l'aerodinamica instabile del volo a battito d'ali, costruiremo un quadro teorico per comprendere la meccanica del volo. Questo porterà a nuove interpretazioni e previsioni delle funzioni della macchina interna di un insetto che orchestrano il suo volo.
Affronteremo anche la meccanica, l'energetica e il controllo del nuoto dei pesci. I pesci incontrano regolarmente flussi instabili in natura, come quando si raggruppano o nuotano dietro una roccia in un torrente. Mostreremo come i pesci possano percepire il flusso attraverso la loro linea laterale e come possano estrarre energia dal loro ambiente.
Su scala più grande, esamineremo il movimento collettivo degli animali, un comportamento ubiquo che può essere trovato in sciami di insetti, stormi di storni, banchi di pesci o persino fenomeni di folla. Spiegheremo come l'ordine su larga scala possa emergere da interazioni locali, senza alcun leader. Discuteremo anche l'importanza delle interazioni fluide e di come un gruppo possa reagire a un attacco predatorio.
Infine, esamineremo gli algoritmi utilizzati dagli organismi per cercare la fonte di un odore in un flusso. Questi algoritmi possono dipendere molto dalle dimensioni dell'organismo e dalle informazioni sensoriali a sua disposizione. Su piccole scale, i batteri utilizzano un cammino casuale biased per nuotare lungo i gradienti di concentrazione, ma su scale più grandi, i gradienti non sono più informazioni rilevanti. Falene e grandi crostacei generalmente utilizzano algoritmi diversi che combinano comportamenti di “zigzag” e “lancio”.
Poiché l'obiettivo di questa scuola è introdurre il tema della “Vita nei Flussi”, particolare attenzione sarà dedicata ai concetti biologici. Dedicheremo anche del tempo affinché i partecipanti possano presentare le proprie ricerche tramite brevi interventi. Il pubblico target per questa scuola sarà composto da studenti di dottorato, postdoc e giovani ricercatori nei dipartimenti di Fisica, Biofisica, Matematica Applicata e Ingegneria.

Una rivoluzione è attualmente in corso nella fisica e nell'ingegneria attraverso la produzione di metamateriali e metasuperfici con l'obiettivo di ottenere un controllo totale delle onde. Questo è stato reso possibile concependo e progettando nuovi materiali il cui comportamento macroscopico deriva da una struttura specifica, spesso periodica, a scala microscopica. Esempi tipici sono i materiali a banda proibita e i metamateriali a doppia negatività che si basano sulla risonanza locale (di tipo Mie, Minnaert o Helmholtz) di un blocco costruttivo sublunghezza d'onda ripetuto periodicamente. Questi materiali hanno trovato numerose applicazioni pratiche tra cui occultamento, lenti, super-risoluzione, imaging quantitativo nel campo vicino, schermatura, assorbimento perfetto.
In acustica, un esempio ben noto è ispirato ai vasi utilizzati nei teatri greci antichi e successivamente in chiese e moschee per controllare l'acustica dei luoghi; questi vasi sono risonatori di Helmholtz e sono considerati oggi la chiave per la progettazione di pareti fonoassorbenti.
Esempi più recenti sono legati alla schermatura di regioni dalle onde grazie ai recenti progressi nella progettazione di dispositivi basati su metamateriali. Questo è il caso del cosiddetto cuneo anti-sismico formato da una foresta di alberi in grado di convertire le onde superficiali distruttive in onde di volume principalmente innocue che si propagano verso il basso. Un altro esempio notevole è la progettazione di giganteschi « frangiflutti » per circondare e proteggere una regione dalle onde di risacca e dalle onde tempestose. L'efficienza di tali cinture diventa un prerequisito vitale per città galleggianti sostenibili e praticabili che si cercano nel prossimo futuro.
Lo scopo di questo corso è fornire un'introduzione a tecniche ben note e introdurre tecniche più avanzate e all'avanguardia, in grado di affrontare le sfide dei metamateriali fornendo un quadro matematico in grado di spiegare le straordinarie proprietà osservate delle meta-strutture e utile per ottimizzare queste proprietà. Queste includono ottica di trasformazione/ elastodinamica di trasformazione, metodologie di omogeneizzazione classiche e moderne, analisi asintotica e spettrale, metodi variationali, tecniche di potenziale di strato, così come la moderna multi-matematica. Particolare attenzione sarà dedicata alla presentazione di applicazioni pratiche che illustrano il funzionamento e l'efficacia delle tecniche introdotte e discussioni sui progressi e le domande aperte rimanenti su questioni attuali in acustica, elettromagnetismo, elasticità e nel contesto delle onde d'acqua. Tenendo a mente questi obiettivi, durante il corso saranno presentati studi sperimentali accademici così come dispositivi commerciali.
In generale, questo è uno sforzo congiunto di un gruppo diversificato di docenti che lavorano su diversi aspetti della modellazione dei metamateriali, per riportare lo stato dell'arte attuale nel campo e formare una rete collaborativa e una piattaforma di conoscenza condivisa in un'area in cui c'è ancora un notevole margine di ricerca.
Il corso è rivolto a un pubblico ampio: studenti laureati, dottorandi, giovani ricercatori e ingegneri praticanti. Poiché una parte significativa del corso sarà dedicata alla modellazione teorica e numerica, è prevista una solida base matematica e si raccomanda una conoscenza di base della teoria delle onde.
Gli argomenti esplorano le applicazioni in Ingegneria e Fisica, mostrando le interconnessioni con l'acustica, l'elettromagnetismo, l'elasticità e le onde d'acqua che vengono normalmente trattate come argomenti indipendenti.
Sia i teorici che gli sperimentatori dei settori accademico e industriale si aspettano di acquisire conoscenze utili partecipando al corso.

Recentemente, c'è stato un forte interesse nello sviluppo di nuovi micro- e nanomateriali, in particolare, nanofibre (NF), per applicazioni biomediche. L'obiettivo di questo corso è fornire informazioni all'avanguardia sullo sviluppo di materiali e dispositivi basati su nanofibre per scopi biomedici avanzati. Con questo obiettivo, il corso mira a coprire la progettazione di nanomateriali fibrosi all'avanguardia delle scienze biomediche, rivedendo le aree più importanti dalla modellazione della fabbricazione delle fibre alla loro applicazione finale.
Le fibre a nucleo e guscio con agenti di guarigione sono un elemento chiave per i materiali compositi vascolari autoriparanti utilizzati per mantenere le proprietà meccaniche e per la protezione dalla corrosione. Saranno inoltre discussi i nanogeneratori triboelettrici sostenibili basati su NF composti da biopolimeri.
Muscoli artificiali e attuatori termo-pneumatici morbidi con NFs incorporati impregnati di etanolo e attuatori morbidi termo-pneumatici simili a vesciche, che si deflettono in risposta al calore fornito alla loro base, rappresentano un passo importante verso la robotica morbida basata su NF. Le NFs metallizzate sono materiali elettricamente conduttivi e altamente trasparenti, che promettono grandi opportunità come riscaldatori tridimensionali, sensori e trattamento dell'emorragia subaracnoidea aneurismatica.
Le proprietà ottiche, elettroniche e fotoniche delle NFs possono essere altamente importanti anche per dispositivi elettromeccanici e biomedici. Basate su una varietà di composti funzionali come polimeri coniugati, molecole organiche emittenti di luce, coloranti, piezo-polimeri, ecc., le NFs possono essere utilizzate come mattoni per guide d'onda dielettriche miniaturizzate, amplificatori ottici, laser a stato solido, fibre ottiche attive e elementi di rivestimento superficiale di grande rilevanza per architetture lab-on-chip, dispositivi elettromeccanici, tecnologie indossabili e impiantabili.
Le interazioni elettrostatiche tra polielettroliti e l'aumento dell'entropia derivante dal rilascio di controioni sono le principali forze motrici per la complessazione dei polielettroliti. Discutiamo la formazione di NFs da complessi di polielettroliti in funzione del peso molecolare e della concentrazione del polimero, nonché della forza ionica della soluzione e del pH. Saranno discusse le applicazioni delle fibre di complesso di polielettroliti per l'attuazione e il rilascio di farmaci. Mostreremo diversi approcci per modellare il trasporto idrodinamico di sospensioni nanofibrose e i metodi sperimentali utilizzati per valutare le loro interazioni in ambienti micro e nanoscalari. Discuteremo anche le proprietà dei materiali per il trattamento del cancro sviluppati negli ultimi decenni.
Le NFs sono utilizzate per sviluppare nuovi materiali compositi. Si sono dimostrate essere uno dei modi più efficaci per migliorare la tenacità del polimero matrice e la resistenza alla delaminazione dei compositi strutturali. È quindi importante comprendere la meccanica delle NFs e dei materiali correlati.
Questo corso è rivolto a studenti universitari dell'ultimo anno, studenti di laurea, ricercatori, ingegneri e professionisti dell'industria. Sarà di particolare importanza per coloro che sono interessati a sviluppare dispositivi e modelli innovativi basati su nanofibre grazie all'esposizione approfondita e completa delle basi fisiche di tali dispositivi e fenomeni correlati.

Il corso proposto mira a creare un ponte tra meccanica, chimica, fisica e biologia per formare nuovi scienziati nel nuovo e in rapida crescita quadro scientifico della materia morbida attiva. Molti trattamenti sanitari che coinvolgono la somministrazione di farmaci e la tecnologia dei trapianti di tessuti si basano su una profonda comprensione delle condizioni fisiologiche del tessuto vivente coinvolto. Per raggiungere questo obiettivo, è necessario tenere conto del legame tra il comportamento meccanico del tessuto e la sua attività biochimica a più scale di lunghezza, dai meccanismi intracellulari al comportamento del tessuto a livello di organo. In questo contesto, la maggior parte dei problemi scientifici richiede competenze interdisciplinari per essere affrontati, da qui la crescente necessità di una nuova generazione di scienziati capaci di combinare concetti fondamentali provenienti da diverse discipline.
Il corso è rivolto a ricercatori e studenti laureati nei campi della matematica applicata, ingegneria meccanica e chimica, fisica, biologia e biofisica.
Il Dr. Zhigang Suo introdurrà il concetto di idrogel. I gel polimerici costituiscono una piattaforma di modello fisico affidabile per la maggior parte dei tessuti biologici morbidi che costituiscono il corpo umano, quindi questo rappresenta le fondamenta di questo corso. Fornirà una panoramica di base sulle principali proprietà meccaniche di questi materiali, come la resistenza adesiva, la tenacità alla frattura, la resistenza alla fatica e la viscoelasticità.
Il Dr. Alessandro Lucantonio discuterà gli strumenti analitici e computazionali disponibili oggi per descrivere il comportamento meccanico dei gel con particolare attenzione al loro comportamento poroelastico, che accoppia l'elasticità della rete polimerica e la diffusione delle specie.
Il Dr. Mattia Bacca discuterà la termodinamica della deformazione attiva per materiali rappresentati come un'evoluzione microstrutturale. Il fenomeno emerge da un processo biochimico, l'attività dei motori molecolari alimentati dall'idrolisi dell'ATP, che alterano lo stato di equilibrio del materiale, risultando in una deformazione macroscopica (attiva).
Il Dr. Robert McMeeking discuterà la meccanica e la termodinamica della polimerizzazione dell'actina che avviene all'interno del citoscheletro e la meccanica dell'adesione cellulare. Questo metterà in evidenza le caratteristiche attive e anisotrope del materiale che costituisce le cellule viventi.
Il Dr. Antonio De Simone fornirà un'introduzione ai concetti fondamentali sulla locomozione guidata da strisciamento e deformazione dei sistemi viventi. Questo collegherà la motilità di una cellula con la sua attività biochimica a livello molecolare (actina-miosina, microtubuli-dineina).
Le lezioni della Dr.ssa Nancy Forde forniranno approfondimenti sulle tecniche sperimentali per la caratterizzazione della materia soffice e la misurazione di fenomeni a scala molecolare. Successivamente fornirà approfondimenti teorici e pratici sulla microreologia, la meccanica delle singole molecole e altre tecniche per creare motori molecolari sintetici.
Infine, la Dr.ssa Anne Bernheim fornirà approfondimenti sulla teoria e sulle tecniche sperimentali utilizzate per ricreare altri meccanismi a livello cellulare con sistemi in vitro e concluderà il corso.

L'osso è un materiale straordinario: è forte ma leggero, può adattarsi ai cambiamenti nel carico meccanico, dura per tutta la vita e può ripararsi dopo una frattura. Sebbene la biologia abbia rivelato molti segreti su come le cellule ossee possano formare e rimuovere il tessuto osseo, i meccanismi che controllano questi processi e il ruolo del carico meccanico in questo non sono ancora ben compresi. L'obiettivo di questo corso è fornire informazioni all'avanguardia su questo argomento. A tal fine, il corso esaminerà l'intera area della meccanica delle cellule e dei tessuti ossei a tutti e tre i livelli comunemente distinti di organizzazione strutturale dell'osso: il livello dell'organo osseo, il livello del tessuto osseo e il livello della cellula ossea. Il corso avrà una natura multidisciplinare e includerà argomenti come la biologia ossea, l'imaging e la modellazione computazionale.
A livello dell'organo osseo, l'attenzione sarà rivolta alla diagnosi della resistenza ossea utilizzando tecniche di imaging e computazionali. Il rimodellamento osseo a questo livello è spesso considerato un processo di ottimizzazione che adatta la densità e la forma dell'osso alle condizioni di carico meccanico.
Si discutono modelli ipotetici sviluppati per descrivere tali adattamenti dell'osso. A livello del tessuto, l'osso può formare architetture porose complesse straordinarie. Questa capacità consente all'osso di adattarsi a un'ampia gamma di condizioni meccaniche, è rispecchiata dalla sua organizzazione gerarchica e riflessa da un ampio spettro di proprietà materiali che l'osso può assumere. I metodi per visualizzare e modellare le complesse strutture di questo tessuto minerale vivente in 3D in-vivo sono diventati disponibili solo negli ultimi due decenni. Si discutono modelli ipotetici che descrivono come queste strutture evolvono, come possono adattarsi al carico meccanico e come possono essere influenzate da malattie ossee.
A livello cellulare, verranno discussi candidati promettenti per il sistema meccanosensoriale, così come possibili vie di segnalazione per la comunicazione tra le cellule ossee. A questo livello, la porosità del tessuto osseo stesso diventa anche un fattore importante poiché si presume che il flusso di fluidi giochi un ruolo importante nel sistema meccanosensoriale. Verranno discusse tecniche recentemente sviluppate per visualizzare strutture così piccole, così come tecniche per stimolare e manipolare le cellule, come dispositivi di microfluidica per studi di meccanobiologia delle cellule ossee, stampa 3D di impianti stimolanti per le ossa e ingegneria dei tessuti ossei per creare modelli 3D umanizzati.
Oltre a essere informativo, si spera che il corso funzioni come un forum per lo scambio di dati, filosofia e idee attraverso le divisioni disciplinari e fornisca così ulteriore stimolo per un approccio completo ai problemi della meccanica ossea. Per facilitare ulteriormente questo, organizzeremo una presentazione di poster da parte degli studenti alla fine del primo giorno. Inoltre, ci sarà una sessione di domande e risposte alla fine di tutti gli altri giorni in cui gli studenti potranno porre domande agli insegnanti, e dove gli insegnanti stimoleranno discussioni. Il pubblico target sono studenti laureati, candidati al dottorato e giovani membri della facoltà. Ci aspettiamo un pubblico altrettanto diversificato nel background quanto i relatori, ovvero che spazia attraverso lo spettro professionale dagli ingegneri biomedici e strutturali, ai biologi, veterinari e chirurghi ortopedici e dentali.

Le batterie sono considerate una tecnologia chiave in un futuro sistema energetico e di mobilità basato su fonti di energia rinnovabili e fluttuanti. A seconda dell'applicazione, le specifiche per densità energetica, densità di potenza, sicurezza e durata delle batterie possono variare notevolmente. Pertanto, è evidente la necessità di strumenti di ottimizzazione per bilanciare le restrizioni conflittuali specifiche dell'applicazione sulle batterie. Inoltre, la domanda di sviluppi rapidi di nuovi materiali per lo stoccaggio di energia e design delle batterie richiede la transizione verso una strategia di sviluppo delle batterie razionale e basata sulla conoscenza, fondata su modelli convalidati e strumenti di simulazione sofisticati.
La sfida è descrivere matematicamente tutti i processi elettrochimici, fisici e meccanici necessari per un funzionamento efficiente e sicuro delle batterie, il che, per dispositivi di stoccaggio elettrochimico così complessi, significa modellare e accoppiare processi su un'ampia gamma di scale.
Il corso tratterà metodi teorici e approfondimenti sperimentali su queste diverse scale. Le teorie atomistiche consentono di indagare la stabilità termodinamica ed elettrochimica dei materiali e delle combinazioni di materiali. Forniscono parametri fondamentali dei materiali degli elettrodi e meccanismi di trasporto e offrono approfondimenti sulla cinetica delle reazioni chimiche. Un fattore molto cruciale per la stabilità e la densità di potenza delle batterie è la scelta dell'elettrolita. Trovare il giusto compromesso tra stabilità elettrochimica, eccellenti proprietà di trasporto e formazione di interfacce che supportano la cinetica delle reazioni agli elettrodi positivi e negativi è un compito impegnativo. Il metodo scelto per indagare il comportamento degli elettroliti è la simulazione di dinamica molecolare (MD), sia MD ab initio che MD classica con campi di forza sintonizzati per l'elettrolita in esame. Per ottimizzare il design strutturale degli elettrodi e il design della cella da scala nanometrica a scala cm, sono necessarie teorie di continuità per descrivere l'interazione complessa di trasporto, reazioni e processi meccanici durante il funzionamento della batteria. Per consentire un accoppiamento sistematico delle teorie di continuità e delle teorie atomistiche sottostanti, è importante derivare modelli di continuità all'interno di concetti teorici rigorosi.
Il corso fornirà un'introduzione alle tecniche di modellazione e simulazione di continuità all'avanguardia per processi elettrochimici e meccanici su scala di elettrodi e dispositivi.
Questa parte sarà completata da una panoramica sulle tecniche sperimentali per indagare il comportamento delle batterie e convalidare le teorie continue delle batterie. Su scala più ampia, la scala del sistema, sono necessari strumenti di simulazione che mantengano le caratteristiche essenziali dei modelli dettagliati sottostanti ma siano sistematicamente semplificati per consentire un controllo in tempo reale del funzionamento della batteria al fine di garantire la sicurezza e preservare la durata della batteria. La descrizione dell'arte della riduzione del modello e delle simulazioni in tempo reale delle risposte della batteria alle richieste del sistema completa questo corso CISM.
Il corso è rivolto a dottorandi e a ricercatori (junior) di diversi ambiti, sia accademici che industriali. Nel pomeriggio del primo giorno, si terrà un flash poster/slideshow per dare ai partecipanti l'opportunità di presentare brevemente il proprio interesse o area di lavoro. Questo favorirà una discussione collegiale durante il corso.

I recenti progressi tecnologici aprono possibilità di ottimizzare il comportamento funzionale delle strutture nelle applicazioni ingegneristiche aggiungendo una fase di progettazione a livello di materiale. Ad esempio, la produzione additiva consente un controllo superiore nella modellazione e nella definizione dei costituenti del materiale. Questa logica moderna pone la questione dello sviluppo:
1) nuovi paradigmi per la micro/nanostruttura dei materiali,
2) nuovi metodi per l'ottimizzazione della topologia dei materiali,
3) nuove tecniche di produzione.
La combinazione di materiali multipli e contrastanti, con differenze nelle risposte elastiche e inelastiche, è una strategia impegnativa che potrebbe portare a nuove classi di comportamenti intelligenti. Ad esempio, questo approccio è seguito dalla Natura, dove i tessuti biologici sono ottimizzati gerarchicamente tramite meccanismi chemiobiologici. Pertanto, l'importanza e la necessità di nuovi approcci al design dei materiali sono aumentate notevolmente negli ultimi anni.
Le tecniche assistite da computer consentono di accelerare e ridurre i costi delle procedure di ottimizzazione per la topologia dei materiali e le proprietà dei costituenti. Le capacità predittive delle simulazioni numeriche sono fortemente influenzate dall'accuratezza e dalla robustezza dei modelli costitutivi e da quanto efficacemente le formulazioni costitutive vengono tradotte in ambienti computazionali. Pertanto, lo sviluppo di approcci computazionali avanzati per l'analisi e la modellazione delle risposte dei materiali emerge come un argomento urgente e di grande attualità.
Il flusso di lavoro per la progettazione di materiali avanzati è associato a questioni principali che coinvolgono diversi aspetti all'avanguardia della Meccanica Computazionale. Dal punto di vista ingegneristico, l'ottimizzazione delle tecniche assistite da computer è cruciale e si basa su un delicato equilibrio tra accuratezza, robustezza e costo. Per raggiungere questo obiettivo, è essenziale una solida comprensione degli aspetti metodologici e una vasta conoscenza degli approcci disponibili.
L'obiettivo del corso è presentare i fondamenti teorici, lo stato attuale dell'arte e le direzioni future degli "approcci computazionali per l'analisi della meccanica dei materiali" con l'intento di "fornire una prospettiva moderna sugli strumenti in silico per la progettazione di materiali avanzati".
Il problema dell'omogeneizzazione sarà affrontato accoppiando analisi multiscala e multiphysiche. Saranno presentati approcci computazionali avanzati, evidenziando vantaggi e svantaggi delle tecniche tradizionali e nuove in diversi casi studio. Si focalizzerà sui materiali per le esigenze dell'ingegneria moderna, spaziando dai metamateriali, attraverso idrogeli intelligenti e compositi accoppiati magneto-meccanicamente fino ai MEMS. Gli approcci teorici e metodologici descritti permetteranno di discutere aspetti di fondamentale importanza durante l'intero processo di produzione dei materiali: partendo dalla fase di progettazione, attraverso l'ottimizzazione topologica, fino alla produzione dei materiali.
Il corso si rivolge a dottorandi e ricercatori post-dottorato provenienti dal mondo accademico e dall'industria con un interesse nella modellazione costitutiva della risposta multiphysica e/o multiscala dei materiali, e con una formazione in ingegneria o scienze dei materiali.

Negli ultimi due decenni numerosi laboratori hanno microfabbricato superfici con proprietà chimiche e testurali per imitare superfici superidrofobiche (SH) presenti in natura, le più conosciute sono le proprietà di auto-pulizia della foglia di loto. Questo è stato reso possibile dai continui progressi nella tecnologia di nano/microfabbricazione. Questa Scuola Avanzata riunirà ingegneri, fisici, chimici e matematici applicati in un contesto multi-fisico.
Adottando un approccio olistico che accoppia fenomeni di trasporto di momento, calore, massa e carica, i relatori comprendono 2 matematici applicati, 2 ingegneri meccanici, un fisico e un chimico: insieme portano prospettive teoriche ed esperimentali sull'argomento.
I fondamenti dei fenomeni fisici e chimici sfruttati per sospendere i liquidi nello stato Cassie (non bagnato) su SH saranno trattati. Affrontiamo le condizioni richieste e le tecnologie sviluppate per mantenere lo stato Cassie e quelle che causano la transizione allo stato Wenzel (bagnato), a volte desiderabile. Saranno enfatizzati i fenomeni di trasporto fisico relativi alle gocce su SH e ai flussi di liquidi su di esse.
Per le gocce su SH, saranno esaminati i principi fondamentali della microfabbricazione, inclusi quelli basati sulla tecnologia di lavorazione dei polimeri. La prevenzione del ghiaccio e il miglioramento del trasferimento di calore per ebollizione e condensazione saranno punti di enfasi, così come il controllo dinamico basato sull'elettro-umettabilità e il miglioramento dei fenomeni generali di cambiamento di fase. Saranno studiati vari approcci per sopprimere o sfruttare i fenomeni di Leidenfrost per, ad esempio, sopprimere il flusso di calore critico o pompare gocce. Gli SH con proprietà multifunzionali come attività fotocatalitica, anti-riflesso, resistenza all'abrasione e caratteristiche anti-sporcamento saranno trattati.
Nello studio dei flussi esterni/interni su SH, il corso includerà una rigorosa derivazione delle equazioni governanti e delle condizioni al contorno, la risoluzione dei fenomeni di tensioattivi, Marangoni, termocapillari e molecolari e possibili deformazioni del menisco. Sarà effettuato un confronto tra modelli teorici ed esperimenti con implicazioni per parametri ingegneristici chiave.
Il corso è adatto per studenti laureati, accademici, ingegneri dell'industria. Le tecniche utilizzate spaziano dalle idee di modellazione matematica e schemi numerici, fino a procedure sperimentali e comprensione dei principi fisici fondamentali. Le applicazioni saranno enfatizzate durante tutto il corso.

La produzione additiva (AM) di metalli offre la massima flessibilità produttiva, quasi illimitata libertà di design e il potenziale per il controllo puntuale della microstruttura e delle proprietà meccaniche. Tuttavia, una scelta subottimale dei parametri di processo porta spesso a elevate tensioni residue, deformazioni dimensionali, porosità, microstrutture indesiderate o addirittura al fallimento del pezzo durante la produzione. L'obiettivo principale di questo corso è trasmettere i fondamenti fisici dei processi di AM in metallo, le basi dell'implementazione e del monitoraggio del processo, gli aspetti materiali, nonché le tecniche di modellazione e simulazione su diverse scale di lunghezza.
Il corso inizia con una panoramica dei processi di AM in metallo esistenti, comprendenti la produzione additiva per fusione a letto di polvere (PBFAM), ad esempio, la fusione laser selettiva (SLM), la sinterizzazione laser selettiva (SLS), la fusione a fascio di elettroni (EBM), la deposizione di energia diretta (DED), la stampa a getto di legante (BJ) e la stampa a goccia di materiale (MDP). Dopo aver trasmesso i fondamenti fisici, vengono presentati i potenziali campi di applicazione e l'implementazione tecnica, i mezzi di monitoraggio e controllo del processo. I diversi tipi di difetti nell'AM in metallo vengono categorizzati e vengono discusse strategie per la rilevazione dei difetti tramite metrologia in-situ ed ex-situ (ad esempio, tomografia computerizzata a raggi X CT, ispezione della densità, controllo della geometria). Inoltre, il corso trasmetterà aspetti materiali essenziali come i principi, i meccanismi e la cinetica della solidificazione, nonché i fondamenti della termodinamica in equilibrio e non in equilibrio. La formazione di fasi e il controllo della microstruttura, la progettazione di leghe, la metallurgia delle polveri e le correlazioni processo-microstruttura-proprietà saranno discusse nel contesto dell'AM in metallo e confrontate con la fusione convenzionale.
Un ulteriore focus del corso si concentra sugli approcci di modellazione e simulazione nell'AM metallico, coprendo le assunzioni di modellazione sottostanti, le equazioni governanti, le strategie di discretizzazione e gli aspetti numerici (ad es. equilibrio tra efficienza computazionale e accuratezza della soluzione). In particolare, vengono discusse le strategie di modellazione per la meccanica, il trasferimento di radiazione, il trasferimento di calore e la cinetica di sinterizzazione nei letti di polvere. Inoltre, vengono trasmessi approcci di modellazione e simulazione termo-idrodinamici a mesoscala mirati alla previsione delle instabilità del flusso di fusione e delle proprietà finali del pezzo, come la rugosità superficiale, l'adesione strato per strato e la porosità residua. Infine, vengono presentati approcci di modellazione e simulazione termo-meccanica a scala del pezzo mirati alla previsione delle tensioni residue, delle deformazioni termiche, del comportamento costitutivo e della deformazione dimensionale su scala di interi pezzi progettati.
Ogni serie di lezioni inizierà dalle rispettive basi, ma poi passerà rapidamente a temi di ricerca all'avanguardia. Le lezioni sono principalmente progettate per studenti di dottorato in meccanica, ingegneria, scienze dei materiali e fisica con un forte interesse per i diversi aspetti della ricerca nell'AM metallico. Tuttavia, sono altrettanto adatte per ricercatori giovani e senior, che desiderano acquisire una panoramica completa in un formato di corso compatto ed efficiente. Potrebbe anche essere interessante per ingegneri praticanti che lavorano su applicazioni industriali di alto livello dell'AM metallico.