Il ventre di un'aragosta è rivestito con un sottile, membrana traslucida che è sia elastica che sorprendentemente resistente. Questa sotto-armatura marina, come riportato dagli ingegneri del MIT nel 2019, è fatto dall'idrogel più duro conosciuto in natura, che risulta essere anche altamente flessibile. Questa combinazione di forza ed elasticità aiuta a proteggere un'aragosta mentre si arrampica sul fondo del mare, permettendogli anche di flettersi avanti e indietro per nuotare.

Ora un team separato del MIT ha fabbricato un materiale a base di idrogel che imita la struttura del ventre dell'aragosta. I ricercatori hanno sottoposto il materiale a una serie di test di allungamento e impatto, e ha mostrato che, simile al ventre dell'aragosta, il materiale sintetico è notevolmente "resistente alla fatica, "capace di resistere a ripetuti allungamenti e sollecitazioni senza strapparsi.

Se il processo di fabbricazione potesse essere notevolmente ampliato, i materiali realizzati con idrogel nanofibrosi potrebbero essere utilizzati per realizzare tessuti sostitutivi elastici e resistenti come tendini e legamenti artificiali.

I risultati del team sono pubblicati sulla rivista Questione . I coautori del MIT del documento includono i postdoc Jiahua Ni e Shaoting Lin; studenti laureati Xinyue Liu e Yuchen Sun; professore di aeronautica e astronautica Raul Radovitzky; professore di chimica Keith Nelson; professore di ingegneria meccanica Xuanhe Zhao; e l'ex ricercatore David Veysset Ph.D. '16, ora alla Stanford University; insieme a Zhao Qin, professore assistente alla Syracuse University, e Alex Hsieh del Laboratorio di ricerca dell'esercito.

La svolta della natura

Nel 2019, Lin e altri membri del gruppo di Zhao hanno sviluppato un nuovo tipo di materiale resistente alla fatica a base di idrogel, una classe di materiali simili alla gelatina costituiti principalmente da acqua e polimeri reticolati. Hanno fabbricato il materiale da fibre ultrasottili di idrogel, che si allineavano come tanti fili di paglia raccolti quando il materiale veniva ripetutamente teso. Questo allenamento è successo anche per aumentare la resistenza alla fatica dell'idrogel.

"Al momento, avevamo la sensazione che le nanofibre negli idrogel fossero importanti, e sperava di manipolare le strutture delle fibrille in modo da poter ottimizzare la resistenza alla fatica, "dice Lin.

Nel loro nuovo studio, i ricercatori hanno combinato una serie di tecniche per creare nanofibre di idrogel più forti. Il processo inizia con l'elettrofilatura, una tecnica di produzione di fibre che utilizza cariche elettriche per estrarre fili ultrasottili da soluzioni polimeriche. Il team ha utilizzato cariche ad alta tensione per far girare le nanofibre da una soluzione polimerica, per formare un film piatto di nanofibre, ciascuno misura circa 800 nanometri, una frazione del diametro di un capello umano.

Hanno posizionato il film in una camera ad alta umidità per saldare le singole fibre in un robusto, rete interconnessa, e quindi impostare il film in un incubatore per cristallizzare le singole nanofibre ad alte temperature, rafforzando ulteriormente il materiale.

Hanno testato la resistenza alla fatica del film mettendolo in una macchina che lo allungava ripetutamente per decine di migliaia di cicli. Hanno anche fatto delle tacche in alcuni film e hanno osservato come le crepe si propagavano mentre i film venivano allungati ripetutamente. Da questi test, hanno calcolato che i film nanofibrosi erano 50 volte più resistenti alla fatica rispetto agli idrogel nanofibrosi convenzionali.

Intorno a questo periodo, leggono con interesse uno studio di Ming Guo, professore associato di ingegneria meccanica al MIT, che hanno caratterizzato le proprietà meccaniche del ventre di un'aragosta. Questa membrana protettiva è costituita da sottili fogli di chitina, Un naturale, materiale fibroso che è simile nella composizione alle nanofibre di idrogel del gruppo.

Guo ha scoperto che una sezione trasversale della membrana dell'aragosta ha rivelato fogli di chitina impilati ad angoli di 36 gradi, simile al compensato ritorto, o una scala a chiocciola. Questa rotazione, configurazione a strati, nota come struttura bouligand, ha potenziato le proprietà di elasticità e resistenza della membrana.

"Abbiamo appreso che questa struttura bouligand nel ventre dell'aragosta ha elevate prestazioni meccaniche, che ci ha motivato a vedere se potevamo riprodurre tali strutture in materiali sintetici, " dice Lin.

Architettura ad angolo

Ni, Lin, e i membri del gruppo di Zhao si sono uniti al laboratorio di Nelson e al gruppo di Radovitzky nell'Istituto per le nanotecnologie dei soldati del MIT, e il laboratorio di Qin alla Syracuse University, per vedere se potevano riprodurre la struttura della membrana bouligand dell'aragosta usando il loro sintetico, pellicole resistenti alla fatica.

"Abbiamo preparato nanofibre allineate mediante elettrofilatura per imitare le fibre chiniche presenti nel ventre dell'aragosta, "Ni dice.

Dopo l'elettrofilatura di film nanofibrosi, i ricercatori hanno impilato ciascuno dei cinque film in successione, Angoli di 36 gradi per formare un'unica struttura bouligand, che hanno poi saldato e cristallizzato per fortificare il materiale. Il prodotto finale misurava 9 centimetri quadrati e uno spessore di circa 30-40 micron, circa le dimensioni di un piccolo pezzo di scotch.

I test di allungamento hanno dimostrato che il materiale ispirato all'aragosta si comportava in modo simile alla sua controparte naturale, in grado di allungarsi ripetutamente mentre resiste a strappi e crepe, una resistenza alla fatica che Lin attribuisce all'architettura angolata della struttura.

"Intuitivamente, una volta che una crepa nel materiale si propaga attraverso uno strato, è ostacolato da strati adiacenti, dove le fibre sono allineate ad angoli diversi, "Li spiega.

Il team ha anche sottoposto il materiale a test di impatto microbalistico con un esperimento progettato dal gruppo di Nelson. Hanno ripreso il materiale mentre lo sparavano con microparticelle ad alta velocità, e misurato la velocità delle particelle prima e dopo la lacerazione del materiale. La differenza di velocità ha fornito loro una misurazione diretta della resistenza all'urto del materiale, o la quantità di energia che può assorbire, che si è rivelato essere un sorprendentemente duro 40 kilojoule per chilogrammo. Questo numero è misurato allo stato idratato.

"Ciò significa che una sfera d'acciaio di 5 millimetri lanciata a 200 metri al secondo verrebbe arrestata da 13 millimetri di materiale, " Dice Veysset. "Non è resistente come il Kevlar, che richiederebbe 1 millimetro, ma il materiale batte il Kevlar in molte altre categorie."

Non sorprende che il nuovo materiale non sia resistente come i materiali antibalistici commerciali. È, però, significativamente più robusto della maggior parte degli altri idrogel nanofibrosi come la gelatina e i polimeri sintetici come il PVA. Il materiale è anche molto più elastico del Kevlar. Questa combinazione di allungamento e forza suggerisce che, se la loro fabbricazione può essere accelerata, e più film impilati in strutture bouligand, gli idrogel nanofibrosi possono fungere da tessuti artificiali flessibili e resistenti.

"Affinché un materiale idrogel sia un tessuto artificiale portante, sono richieste sia la resistenza che la deformabilità, " Lin dice. "Il nostro design del materiale potrebbe raggiungere queste due proprietà."