Biomateriali programmabili: imparare dalle termiti per costruire edifici “disordinati” super resistenti

Ispirandosi ai termitai i ricercatori della Caltech hanno sviluppato un “programma di crescita virtuale” capace di autogenerare biomateriali super-resistenti partendo da microscopiche geometrie disordinate

biomateriali
via depositphotos.com

La ricerca ha prodotto oltre 54.000 campioni diversi

(Rinnovabili.it) – Ancora una volta è la natura ad ispirare l’ingegno umano. Arriva dalla Caltech California Institute of Technology, un innovativo programma per creare nuovi biomateriali super-resistenti, partendo da molteplici microscopiche forme differenti a disponibilità limitata.

A capo del progetto c’è Chiara Daraio, G. Bradford Jones Professor of Mechanical Engineering and Applied Physics and Heritage Medical Research Institute Investigator.

“Le termiti sono lunghe solo pochi millimetri, ma i loro nidi possono raggiungere i 4 metri, l’equivalente di un essere umano che costruisce una casa all’altezza del Mount Whitney in California”. E’ questo il pensiero che ha spinto la ricercatrice ad individuare un algoritmo capace di unire da solo infinite forme a scala micrometrica e nanometrica, assemblandole in nuovi biomateriali dalle infinite proprietà meccaniche.

Se guardi all’interno di un termitaio vedrai una rete di strutture asimmetriche e interconnesse […]. Fatta di granelli di sabbia, polvere, sporco, saliva e sterco, questa struttura disordinata e irregolare sembra arbitraria, ma un termitaio è specificamente ottimizzato per la stabilità e la ventilazione”.

Si tratta di un campo inesplorato in campo architettonico. I materiali costruttivi più diffusi hanno geometrie regolari ed uniformi, che se assemblate fra loro, creano forme altrettanto regolari ed unitari, ripetibili secondo un reticolo. Il termitaio rinnega tutte queste convinzioni, originando una struttura dalle incredibili proprietà, ma che segue un percorso costruttivo tutt’altro che unitario.

Risorse limitate, ma infinite combinazioni

Così i ricercatori della Caltech sono partiti osservando il numero limitato di risorse a disposizione di una termite e la mancanza di un progetto iniziale. La costruzione procede a seconda dei materiali che si hanno a disposizione nelle immediate vicinanze del “nido”. In questo modo, un granello di sabbia rotondo potrà adattarsi a una forma a mezzaluna per una maggiore stabilità.

Per trasferire questi concetti nel nostro mondo, la ricercatrice Daraio ed il suo team, hanno sviluppato uno speciale algoritmo, chiamato programma di crescita virtuale. “Un programma numerico per la progettazione dei materiali con regole simili che definiscono come due diversi blocchi di materiale possono aderire l’uno all’altro”, afferma. L’algoritmo simula la crescita naturale delle strutture biologiche o la costruzione di termitai.

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Ovviamente al posto dei granelli di sabbia, il programma utilizza geometrie di materiali unici o elementi costitutivi, generando automaticamente delle linee guida sull’adiacenza.

Un elenco dei possibili sistemi con i quali questi elementi costruttivi potrebbero attaccarsi l’uno all’altro.

Produrre biomateriali super resistenti partendo da forme

I blocchi virtuali inizialmente utilizzati includono forme a L, a I, a T e una forma a “ +”. Inoltre, ciascun elemento costitutivo ha associato un limite definito di utilizzo, parallelamente alla disponibilità di risorse che una termite potrebbe incontrare in natura per costruirsi il nido.

Utilizzando questi vincoli, il programma costruisce un’architettura su una griglia e quindi tali architetture possono essere tradotte in modelli fisici 2-D o 3-D”. “Il nostro obiettivo è generare geometrie disordinate con proprietà definite dallo spazio combinato di alcune forme essenziali, come una linea retta, una croce o una forma a ‘L’” Queste geometrie potrebbero poi essere stampate in 3D dando origine ad una varietà di biomateriali super-resistenti e con caratteristiche specifiche a seconda dei requisiti necessari al progetto finale.

La ricerca ha prodotto oltre 54.000 campioni diversi, che potrebbero essere raggruppati a seconda delle caratteristiche meccaniche richieste: come di deforma il materiale, la sua rigidità, la densità e molto altro.

“Questa ricerca mira a controllare il disordine nei materiali per migliorare le proprietà meccaniche e altre proprietà funzionali utilizzando la progettazione e strumenti analitici non sfruttati prima”, afferma Daraio. La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Science.

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