I gusci degli organismi marini risentono degli impatti dovuti a tempeste e maree, coste rocciose, e predatori dai denti aguzzi. Ma come recenti ricerche hanno dimostrato, un tipo di conchiglia spicca tra tutti per la sua robustezza:la conchiglia.

Ora, i ricercatori del MIT hanno esplorato i segreti dietro la straordinaria resilienza all'impatto di questi gusci. E hanno dimostrato che questa forza superiore potrebbe essere riprodotta in materiali ingegnerizzati, potenzialmente per fornire il miglior copricapo protettivo e armatura del corpo.

I risultati sono riportati sulla rivista Materiale avanzato , in un articolo della studentessa laureata del MIT Grace Gu, postdoc Mahdi Takaffoli, e il professore di ingegneria McAfee Markus Buehler.

Le conchiglie "hanno questa architettura davvero unica, " spiega Gu. La struttura rende il materiale 10 volte più resistente della madreperla, comunemente noto come madreperla. questa durezza, o resistenza alle fratture, nasce da una configurazione unica basata su tre diversi livelli di gerarchia nella struttura interna del materiale.

La struttura a tre livelli rende molto difficile la diffusione e l'allargamento di piccole crepe, dice Gu. Il materiale ha una "matrice a zigzag, quindi la crepa deve passare attraverso una sorta di labirinto" per diffondersi, lei dice.

Fino a poco tempo fa, anche dopo aver compreso la struttura della conchiglia, "non potresti replicarlo così bene. Ma ora, il nostro laboratorio ha sviluppato una tecnologia di stampa 3D che ci consente di duplicare quella struttura ed essere in grado di testarla, "dice Buehler, che è il capo del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale.

Parte dell'innovazione coinvolta in questo progetto è stata la capacità del team di simulare il comportamento del materiale e di analizzarne le prestazioni effettive in condizioni realistiche. "Nel passato, molti test [di materiali protettivi] erano test statici, " spiega Gu. "Ma molte applicazioni per usi militari o sportivi comportano un carico altamente dinamico, " che richiede un esame dettagliato di come gli effetti di un impatto si estendono nel tempo.

Per questo lavoro, i ricercatori hanno fatto dei test in una torre di caduta che ha permesso loro di osservare esattamente come le crepe sono apparse e si sono diffuse, o non si sono diffuse, nei primi istanti dopo un impatto. "C'era un accordo sorprendente tra il modello e gli esperimenti, " dice Buehler.

Ciò è in parte dovuto al fatto che il team è stato in grado di stampare materiali compositi in 3D con strutture controllate con precisione, piuttosto che utilizzare campioni di conchiglie reali, che possono avere variazioni imprevedibili che possono complicare l'analisi. Stampando i campioni, "possiamo usare esattamente la stessa geometria" utilizzata nelle simulazioni al computer, "e otteniamo un ottimo accordo." Ora, nel proseguire i lavori, possono concentrarsi su piccole variazioni "come base per l'ottimizzazione futura, " dice Buehler.

Per verificare l'importanza relativa dei tre livelli di struttura, il team ha provato a fare variazioni del materiale con diversi livelli di gerarchia. I livelli più alti di gerarchia vengono introdotti incorporando caratteristiche di scala di lunghezza più piccole nel composito, come in una vera conchiglia. Abbastanza sicuro, le strutture di livello inferiore si sono rivelate significativamente più deboli rispetto al livello più alto perseguito in questo studio, che consisteva nelle caratteristiche a lamelle incrociate inerenti alle conchiglie naturali.

I test hanno dimostrato che la geometria con la conchiglia, le caratteristiche incrociate erano l'85 percento migliori nel prevenire la propagazione delle cricche rispetto al materiale di base più resistente, e 70 percento migliore di una disposizione tradizionale in fibra composita, dice Gu.

I caschi protettivi e altri dispositivi resistenti agli urti richiedono una combinazione chiave di forza e robustezza, Buehler spiega. La forza si riferisce alla capacità di un materiale di resistere ai danni, quale acciaio fa bene, Per esempio. tenacia, d'altra parte, si riferisce alla capacità di un materiale di dissipare energia, come fa la gomma. I caschi tradizionali utilizzano un guscio in metallo per la resistenza e una fodera flessibile per il comfort e la dissipazione dell'energia. Ma nel nuovo materiale composito, questa combinazione di qualità è distribuita attraverso l'intero materiale.

"Questo ha rigidità, come il vetro o la ceramica, "Buehler dice, ma manca della fragilità di quei materiali, grazie all'integrazione di materiali con diversi gradi di resistenza e flessibilità all'interno della struttura composita. Come il compensato, il composito è costituito da strati la cui "grana, " o l'allineamento interno dei suoi materiali, è orientato in modo diverso da uno strato all'altro.

Grazie all'uso della tecnologia di stampa 3D, questo sistema consentirebbe di produrre elmetti personalizzati o altre armature per il corpo. Ogni casco, Per esempio, potrebbe essere "su misura e personalizzato; il computer lo ottimizzerebbe per te, sulla base di una scansione del tuo cranio, e il casco sarebbe stampato solo per te, " dice Gu.

La ricerca è stata sostenuta dall'Office of Naval Research, una borsa di studio per laureati in scienze e ingegneria della difesa nazionale, il Programma di Strumentazione di Ricerca Universitaria della Difesa (DURIP), l'Istituto per le nanotecnologie del soldato (ISN), e il Consiglio di ricerca in scienze naturali e ingegneria del Canada.