La sezione trasversale di un Phyllostachys pubescens di bambù selvatico moso. Le fibre (fasci vascolari) che circondano le aperture nere a forma di cuore hanno una distribuzione più densa verso la parte esterna. Credito:Sato M., et al., PLOS UNO, 3 maggio 2017
La distribuzione spaziale delle fibre nei cilindri cavi di bambù è ottimizzata per rinforzare la rigidità flessionale, una nuova scoperta che fa luce sugli approcci biomimetici nello sviluppo dei materiali.
Leggero e resistente, il bambù è ampiamente usato come un naturale, materiale funzionale in Giappone e in altri paesi asiatici. Il bambù è leggero grazie alla sua struttura cava, che permette alla pianta di crescere più velocemente con piccole quantità di parti legnose e di esporsi alla luce del sole sopra altri alberi. Ma questa leggerezza lascia anche il bambù vulnerabile ai forti venti trasversali e può rendere difficile per la pianta sostenere il proprio peso. Per superare questa mancanza, le parti legnose del bambù sono rinforzate con fibre sottili ma robuste (fasci vascolari). Ogni fibra è rigida come l'acciaio.
L'esame di una sezione trasversale del bambù rivela che le fibre nelle parti legnose non sono equamente distribuite. La densità delle fibre diventa gradualmente più spessa dalla superficie interna a quella esterna, suggerendo che le parti esterne sono, meccanicamente parlando, più forte delle parti interne. Questo è ragionevole perché le parti esterne ricevono più forza quando il cilindro viene piegato.
Per determinare la relazione tra la distribuzione delle fibre di rinforzo in un culmo e la rigidità flessionale del culmo, ricercatori dell'Università di Hokkaido, L'Università della Prefettura di Kumamoto e l'Università di Yamanashi hanno confrontato i dati della distribuzione delle fibre di bambù reale con la distribuzione ottimale delle fibre teoricamente derivata.
Sorprendentemente, i dati reali sul bambù mostravano quasi la stessa distribuzione delle fibre di quella con il teorico, distribuzione ottimale delle fibre. Vicino alla radice del culmo, dove si trova un gran numero di fibre, la distribuzione reale della fibra corrispondeva alla forma quadratica teoricamente derivata per la distribuzione del gradiente. Vicino alla punta del culmo, dove ci sono molte meno fibre che vicino alla radice, i dati sperimentali corrispondevano alla distribuzione lineare calcolata secondo la teoria.
Le curve di distribuzione del gradiente nella sezione trasversale del bambù reale (a sinistra) corrispondevano alle curve calcolate sulla base di una teoria meccanica per una rigidità flessionale ottimale (a destra). Il valore di n è un numero internodo assegnato dalla radice alla punta. Credito:Sato M., et al., PLOS UNO, 3 maggio 2017
Di conseguenza, i ricercatori hanno scoperto che il bambù regola con precisione la distribuzione delle fibre in modo che la rigidità flessionale sia massimizzata con il minor volume di materiale di legno possibile. La teoria meccanica impiegata in questa ricerca, perciò, può essere applicato ad altri cilindri cavi per determinare la distribuzione del gradiente che può ottimizzare la rigidità flessionale.
"Il nostro studio potrebbe aiutare a sviluppare materiali avanzati imitando il modello di bambù per la sua leggerezza e robustezza. Imitando i sistemi di animali e piante che sono sopravvissuti a condizioni difficili, un approccio chiamato biomimetica si è dimostrato efficace nel risolvere molti problemi nello sviluppo dei materiali negli ultimi anni, " ha commentato Motohiro Sato, l'autore principale all'Università di Hokkaido.
