Le spugne di mare note come cesti di fiori di Venere rimangono fissate al fondo del mare con nient'altro che una serie di sottili, ancore simili a capelli fatte essenzialmente di vetro. è un lavoro importante, e una nuova ricerca suggerisce che è l'architettura interna di quelle ancore, note come spicole basalia, che li aiuta a farlo.

Le spicole, ciascuno circa la metà del diametro di un capello umano, sono costituiti da un nucleo centrale di silice (vetro) rivestito da 25 sottili cilindri di silice. Visto in sezione trasversale, la disposizione assomiglia agli anelli in un tronco d'albero. Il nuovo studio dei ricercatori della School of Engineering della Brown University mostra che rispetto alle spicole prelevate da una diversa specie di spugna che manca dell'architettura ad anello degli alberi, le spicole basali sono in grado di piegarsi fino a 2,4 volte di più prima di rompersi.

"Abbiamo confrontato due materiali naturali con composizioni chimiche molto simili, uno dei quali ha questa architettura intricata mentre l'altro no, ", ha affermato Michael Monn, uno studente laureato della Brown University e primo autore della ricerca. "Mentre le proprietà meccaniche delle spicole sono state misurate in passato, questo è il primo studio che isola l'effetto dell'architettura sulle proprietà delle spicole e quantifica come l'architettura migliora la capacità delle spicole di piegarsi maggiormente prima di rompersi".

Quella piegabilità probabilmente consente alle spicole di intrecciarsi nel limo del fondo marino, contribuendo a garantire il fissaggio sicuro della spugna. Una migliore comprensione di come funziona questa architettura spicola interna potrebbe essere utile nello sviluppo di nuovi materiali creati dall'uomo, dicono i ricercatori.

La ricerca è pubblicata su Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials .

Quando il coautore dello studio Haneesh Kesari, assistente professore alla Brown's School of Engineering, vide per la prima volta l'architettura interna delle spicole basalia, è stato subito incuriosito dalla consistenza e dalla regolarità del disegno. "Sembrava una figura di un libro di matematica, " Egli ha detto.

Da allora, Kesari ha lavorato per comprendere il significato dell'architettura. Nel 2015, Kesari, Monn e diversi colleghi hanno pubblicato un'analisi che mostra che la disposizione degli strati concentrici delle spicole, che diminuiscono gradualmente di spessore dal centro verso l'esterno, è matematicamente ottimale per massimizzare la forza delle spicole.

Questo ultimo studio è un test più diretto di una proprietà che i ricercatori ritengono importante per gli ancoraggi spicule:deformazione da rottura per flessione, che è la misura in cui qualcosa può piegarsi senza rompersi.

"Intuitivamente, ha senso che le spicole sarebbero ancore migliori se potessero farsi strada attraverso il limo", ha detto Monn. "Li renderebbe molto più difficili da estrarre che se fossero dritti. La proprietà meccanica più associata a quella funzionalità desiderabile sarebbe la deformazione da rottura alla flessione".

Per lo studio, i ricercatori hanno utilizzato un apparato progettato specificamente per testare fino a che punto le spicole possono piegarsi. Le spicole sono disposte su un palco con uno spazio vuoto nel mezzo. Un piccolo cuneo viene poi calato sulla spicola, che lo piega nel vuoto. Una fotocamera sul lato del dispositivo scatta foto, fornendo misurazioni precise di quanto le spicole si piegano prima di rompersi.

Monn e Kesari hanno usato il dispositivo per testare sia le spicole di basalia dei cesti di fiori di Venere, sia le spicole di una specie diversa:la spugna arancione. Le due serie di spicole hanno all'incirca gli stessi diametri e una composizione di silice essenzialmente identica. Ma le spicole a palloncino mancano dell'architettura interna dei cesti di fiori. Quindi qualsiasi differenza nella deformazione alla flessione tra i due potrebbe essere attribuita all'architettura.

Gli esperimenti hanno mostrato che le spicole del cesto di fiori potevano piegarsi del 140 percento in più rispetto alle spicole del palloncino.

"La misura in cui le spicole potevano piegarsi era abbastanza sorprendente poiché sono essenzialmente fatte di vetro", ha detto Monn. Gli ingegneri usano spesso un modello chiamato teoria della trave di Eulero-Bernoulli per calcolare quanto una trave si piegherà sotto un carico, ma ciò si applica solo quando l'entità della flessione è molto piccola. Le spicole si sono dimostrate in grado di piegarsi troppo perché la teoria potesse adattarsi.

"Ciò che dice è che le teorie classiche che usiamo per analizzare i test meccanici dei materiali di ingegneria potrebbero non essere accurate quando si tratta di materiali biologici, " Monn ha detto. "Quindi dobbiamo anche cambiare il nostro approccio all'analisi e non solo copiare e incollare ciò che abbiamo usato per i materiali di ingegneria".

Monn spera che studi come questo forniscano i dati necessari per ideare modelli adeguati per spiegare le proprietà di queste strutture naturali, ed eventualmente utilizzare quelle strutture per nuovi materiali creati dall'uomo.