I mondi animale e vegetale hanno ispirato scienziati per secoli e gli scienziati sono stati a lungo interessati al motivo per cui determinati organismi sono resistenti all'impatto. Pensa al cranio e al becco di un picchio, al modo protettivo in cui le squame di un pesce si sovrappongono o alla spessa buccia che impedisce a un frutto che cade di aprirsi.
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Una superstar in questo campo è la conchiglia regina, il tipo che potresti aver tenuto all'orecchio per sentire l'oceano. La conca regina viene colpita da onde e predatori, ma la struttura del materiale che costituisce il suo guscio è straordinariamente forte. Ciò è dovuto alla struttura del guscio, che presenta strati incrociati di carbonato di calcio disposti in diversi orientamenti e separati da proteine più morbide, spiega il professore di ingegneria del MIT Markus Buehler, il cui laboratorio ha progettato una replica artificiale di questa struttura che potrebbe essere utilizzato in elmetti e altre armature protettive e pubblicato i risultati sulla rivista Advanced Materials . Sia nella versione conchiglia che in quella artificiale, il "grano" del materiale si alterna di 90 gradi, quindi è improbabile che l'impatto da qualsiasi direzione particolare si diffonda.
"Non solo possiamo analizzare questi sistemi e modellarli e cercare di ottimizzarli, ma possiamo effettivamente creare nuovi materiali reali con queste geometrie", afferma Buehler.
Gli scienziati hanno già modellato la struttura della shell in precedenza, ma i progressi nella stampa 3D hanno portato il team di Buehler a essere in grado di riprodurla. L'innovazione cruciale è stata un estrusore (l'ugello attraverso il quale scorre il materiale) in grado di emettere polimeri multipli ma correlati, uno molto rigido e uno più flessibile, per replicare il carbonato di calcio e gli strati proteici del guscio. Poiché i polimeri sono simili, possono essere uniti insieme senza colla, il che rende meno probabile che si rompano. Nei test - che vengono condotti facendo cadere pesi di 5, 6 kg di acciaio a velocità diverse su fogli di materiale - la struttura incrociata ha mostrato un aumento dell'85% dell'energia che potrebbe assorbire, rispetto allo stesso materiale senza di essa.
Può sembrare semplice progettare le cose in base alla natura, ma c'è molto di più da considerare oltre alla semplice copia diretta di un oggetto, sottolinea il professore di ingegneria meccanica Indiana University-Purdue University Indianapolis Andreas Tovar. Tovar, che non era affiliato allo studio del MIT, lavora anche su strutture protettive di ispirazione bio, come il design di un'auto basato su una goccia d'acqua e protetto da una struttura simile a una gabbia toracica.
La struttura molecolare della conchiglia potrebbe un giorno essere utilizzata per creare caschi o armature più forti. (Wikimedia Commons) "Esistono due modi per realizzare progetti di ispirazione bio", afferma. “Uno è attraverso l'osservazione della struttura in natura e poi cercando di imitare quella struttura. Il secondo approccio è quello di imitare il processo che la natura fa per creare una struttura. ”Ad esempio, Tovar ha sviluppato un algoritmo per imitare i processi cellulari che costruiscono le ossa umane, un esempio del secondo approccio. Buehler, al contrario, iniziò con il materiale più grande, o struttura a livello di organo, della conchiglia regina e chiese come ricreare quella struttura con materiali artificiali.
Sia il lavoro di Tovar che quello di Buehler implicano il discernimento di quali parti della struttura sono strumentali alla sua funzione e quali sono vestigia di diverse pressioni evolutive. A differenza di un organismo vivente, un elmetto di ispirazione bio, ad esempio, non deve includere funzioni biologiche come la respirazione e la crescita.
"Un pezzo chiave è che [il laboratorio di Buehler] replica la complessità gerarchica che si trova in natura", afferma Tovar. "Sono in grado di produrre utilizzando metodi di produzione additivi. Testano e vedono questo impressionante aumento delle prestazioni meccaniche ".
Sebbene Buehler abbia ricevuto finanziamenti dal Dipartimento della Difesa, che è interessato ai caschi e alle armature per i soldati, afferma che è altrettanto applicabile, e forse più utile, negli sport, come i caschi da bicicletta o da calcio. "Potrebbero essere ottimizzati, potrebbero andare oltre gli attuali requisiti di progettazione, che sono abbastanza semplicistici: hai un po 'di schiuma, hai un guscio duro, ed è praticamente tutto", dice.
Non c'è ancora l'elmetto, dice Buehler: hanno costruito il materiale e pianificano di applicarlo ai caschi successivi. E il design è importante, anche oltre il materiale. "Anche se non usiamo i materiali rigidi e morbidi che abbiamo usato qui, quelli che abbiamo stampato in 3D, se fai la stessa cosa con altri materiali - puoi usare acciaio e cemento, o altri tipi di polimeri, forse ceramica - facendo la stessa cosa, cioè le stesse strutture, puoi effettivamente migliorare anche le loro proprietà, al di là di ciò che possono fare da sole ”, afferma.
