Usando la madreperla iridescente che spesso si trova all'interno delle conchiglie, i ricercatori hanno progettato un nuovo vetro composito con una resistenza agli urti notevolmente migliorata.

La trasparenza e la durata del vetro lo rendono il materiale preferito in innumerevoli applicazioni. Ma se è usato "in una macchina, un edificio o uno smartphone, i componenti in vetro sono sempre gli anelli più deboli e i più fragili dell'intero sistema, " disse Francois Barthelat, un ingegnere meccanico della McGill University di Montreal che ha ideato il nuovo vetro con i suoi colleghi. Sotto stress, la natura intrinsecamente fragile del vetro significa che i difetti preesistenti al suo interno possono diffondersi, innescando un improvviso fallimento catastrofico.

Le strategie per rendere il vetro più resistente agli urti includono la laminazione, che unisce due o più lastre di vetro con sottili strati di resina o altri polimeri intermedi, e tempra, che indurisce il vetro mediante riscaldamento e raffreddamento rapido. Però, Barthelat e i suoi colleghi pensano di poter fare di meglio guardando alla natura per trovare ispirazione.

Negli ultimi 15 anni, si sono concentrati sulla struttura e la meccanica della madreperla, un materiale opalescente resistente agli urti, noto anche come madreperla, che aiuta a proteggere i corpi molli dei molluschi dalle forti mascelle dei predatori. "Gli animali prendono ingredienti relativamente deboli:un minerale fragile, proteine ​​​​morbide e trasformarle in un'armatura dura ma estremamente resistente, " disse Barthelat.

La chiave della robustezza della madreperla sta nel modo in cui il materiale è costruito come un muro di mattoni, composto da strati sovrapposti di microscopiche compresse minerali piatte, cementate insieme da proteine. Questi fragili mattoni di carbonato di calcio possono scivolare l'uno sull'altro quando sono sotto stress, aiutando la madreperla ad assorbire gli impatti.

Per imitare la madreperla, i ricercatori hanno utilizzato un raggio laser ultravioletto pulsato per incidere motivi quadrati o esagonali su normali lastre di vetro borosilicato spesse 220 micron, o circa il doppio della larghezza media di un capello umano. Queste lastre incise sono state poi laminate con sottili strati di plastica ciascuno spesso 125 micron. Durante questo processo, le lastre di vetro sono separate in singole tessere, ciascuno di circa 1 a 4 millimetri di larghezza.

"Anche se le proprietà strutturali della madreperla sono note da decenni, è la prima volta che un gruppo di ricerca traduce questo concetto in vetro stratificato, " ha affermato l'ingegnere strutturista Kyriaki Corinna Datsiou dell'Università di Nottingham in Inghilterra, che non ha preso parte a questa ricerca ma ha scritto un articolo prospettico sulla nuova ricerca per la rivista in cui è pubblicata.

Gli anni di ricerca che gli scienziati hanno condotto sulla madreperla hanno rivelato dettagli chiave che volevano imitare nel loro bicchiere. Per esempio, le piastrelle non potrebbero essere troppo lunghe, altrimenti si romperebbero, ma se fossero troppo brevi, si romperebbero anche disse Barthelat. Il modello doveva anche essere altamente preciso con casualità limitata, mentre gli strati di laminazione dovevano essere altamente deformabili, Ha aggiunto.

I ricercatori hanno scoperto che il loro vetro simile alla madreperla era da due a tre volte più resistente agli urti rispetto al vetro temperato o laminato e da 15 a 24 volte di più rispetto al vetro normale. Allo stesso tempo, era solo marginalmente meno trasparente del vetro laminato convenzionale.

"Qualsiasi scienziato del vetro ti dirà che sparare un potente laser in un pezzo di vetro è una cattiva idea perché creerà difetti e diminuirà la forza, " ha detto Barthelat. "Tuttavia, il nostro vetro è un bell'esempio in cui la rimozione del materiale e i processi apparentemente di indebolimento rendono il materiale molto migliore!"

Inoltre, "il metodo di fabbricazione che abbiamo sviluppato è relativamente facile e scalabile:si potrebbero realizzare volumi industriali di questo materiale molto facilmente e a un costo ragionevole, " ha detto Barthelat. Le applicazioni per questo vetro potrebbero includere automobili ed edifici "esposti a detriti trasportati dal vento durante eventi di tempesta di vento o ad impatto esplosivo durante scenari di terrorismo o criminalità, " disse Datsiou.

Gli scienziati hanno notato che il loro vetro simile alla madreperla era dal 10% al 15% meno rigido del vetro normale, rendendo più probabile che si pieghi sotto pressione. Compensare, hanno suggerito di aggiungere una lastra di vetro semplice davanti al loro vetro simile alla madreperla, che potrebbe aumentare la resistenza complessiva fino al 90% rispetto a quella del vetro laminato.

Nel futuro, i ricercatori vogliono realizzare una varietà di occhiali simili a madreperla, come oggetti curvi, o fogli ultrasottili per touch screen. "Vogliamo anche sviluppare versioni del nostro vetro madreperla pieghevoli:una lastra sottile di questo vetro si fletterebbe a grandi deformazioni, e poi recuperare senza danni, " disse Barthelat.

Datsiou ha anche notato che il futuro vetro simile alla madreperla potrebbe incorporare altre caratteristiche che si trovano nella madreperla naturale, come la forma ondulata o le superfici microscopicamente ruvide delle tavolette di madreperla. Questo potrebbe aumentare la sua rigidità e altre qualità, lei spiegò.

Gli scienziati hanno dettagliato le loro scoperte nel numero del 28 giugno della rivista Scienza .

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di Inside Science. Leggi la storia originale qui. Usato con permesso. Inside Science è un servizio di notizie editorialmente indipendente dell'American Institute of Physics.