Immagina un futuro in cui gli edifici torreggiano miglia sulle strade sottostanti, i turisti fanno gite di un giorno ai margini della nostra atmosfera, e più stazioni spaziali possono essere individuate alla deriva nel cielo notturno. Per rendere questa visione fantascientifica una realtà, dovremo creare nuovi tipi di strutture che siano leggere ma ancora forti e resistenti.

Un approccio tradizionale a questo processo di progettazione comporterebbe la creazione di nuovi materiali, come le superleghe, metalli eccezionalmente forti e resistenti a temperature estreme. Questi materiali avanzati ci hanno permesso di volare più velocemente della velocità del suono e inviare rover su Marte.

Però, non possiamo semplicemente "inventare" nuovi elementi chimici, e ci sono solo un numero finito di modi per mescolare e abbinare quelli che già abbiamo. Abbiamo quindi bisogno di imparare nuovi modi per organizzare i materiali attualmente disponibili in modo che le strutture risultanti siano più forti e resistenti dei materiali stessi.

per fortuna, la natura ha lottato con questo stesso problema per centinaia di milioni di anni. A differenza degli ingegneri, però, la natura non si inventa nuovi arrangiamenti, o "disegni meccanici, " utilizzando equazioni e algoritmi informatici. Piuttosto, produce molti disegni diversi attraverso meccanismi evolutivi, come una mutazione genetica. Quindi, attraverso la selezione naturale, gli organismi con progetti migliori spesso sopravvivono a quelli con progetti peggiori e trasmettono i progetti di quei progetti alla loro progenie attraverso l'eredità genetica.

Questo processo evolutivo può produrre progetti meccanici estremamente efficienti che spesso non assomigliano a quelli utilizzati nel mondo ingegneristico. Per esempio, Sto studiando le spugne che vivono sul fondo dell'oceano per imparare nuovi modi per creare travi più forti:le strutture che reggono tutto, dalle nostre case ai telai delle nostre auto e ai ponti che attraversiamo.

La scienza dietro l'ingegneria bio-ispirata

L'ingegneria bio-ispirata è diventata un argomento scottante nel mondo della scienza. L'obiettivo è innanzitutto capire come il design meccanico di una struttura biologica ne migliora le prestazioni, e poi applicare i principi fisici alla base di quel progetto per creare nuove strutture create dall'uomo.

Per esempio, i gusci duri di vongole e ostriche sono costituiti da aragonite, un minerale fragile che è l'ingrediente principale del calcare. I gusci di vongole sono duri perché questo minerale non è impacchettato a caso insieme, ma piuttosto è disposto secondo uno schema che sembra un microscopico muro di mattoni. Le interfacce tra i mattoni in questo muro impediscono alle crepe di crescere in un percorso rettilineo attraverso il guscio.

Copiare e incollare semplicemente questo disegno per creare una nuova struttura creata dall'uomo non ci darebbe necessariamente una struttura con la stessa robustezza del guscio. Piuttosto, L'ingegneria bio-ispirata è un processo in più fasi.

Primo, identifichiamo la funzione di una struttura naturale. Per esempio, il guscio protegge la vongola dai predatori. Prossimo, quantifichiamo come il design di quella struttura influenza le sue prestazioni di quella funzione - in questo caso, quanto è forte e resistente la conchiglia rispetto all'aragonite stessa. Finalmente, vogliamo spiegare il rapporto tra design e performance. Per il guscio di vongole, questo significherebbe derivare un'equazione che mette in relazione parametri come il rapporto di aspetto dei microscopici "mattoni" in esso contenuti con la durezza del guscio.

Cosa rende le spugne così forti?

A differenza di un morbido, soffice spugna da cucina, la spugna marina che studio, Euplectella aspergillum , è rigido e forte. Ha uno scheletro incredibilmente complesso che consiste in un intricato assemblaggio di fibre, note come spicole, non più grande di un capello umano. La loro funzione strutturale è molto simile a quella delle migliaia di travi che compongono la Torre Eiffel.

Le spicole della spugna sono insolite perché sono realizzate quasi interamente in vetro! Mentre di solito pensiamo al vetro come a un materiale debole e fragile, le spicole sono incredibilmente forti e resistenti. Questo contrasto è ciò che originariamente mi ha motivato a considerare cosa rende le spicole così forti e come possono insegnarci a creare travi più forti.

Gli strati portano alla forza

La mia ricerca si concentra su un gruppo specializzato di spicole che agiscono come radici per ancorare la spugna al morbido sedimento del fondo oceanico. Rimanendo saldamente fissata al fondo dell'oceano, la spugna può pompare acqua attraverso il suo corpo e filtrare i microrganismi per mangiarli.

Come il guscio della vongola, le spicole di ancoraggio hanno anche un design meccanico microscopico. Se ne apri uno, scoprirai che il bicchiere della spicola è disposto in strati concentrici che assomigliano molto agli anelli degli alberi. È possibile che questo design meccanico permetta alle spicole di ancoraggio di piegarsi di più prima di rompersi, e quindi rende più robusto l'attacco della spugna.

Ho esplorato questa idea misurando quanto le spicole dell'ancora possono piegarsi prima di rompersi, e confrontandole con spicole di un'altra spugna che hanno la stessa composizione chimica ma non hanno strati. I risultati di questo esperimento mostrano che E. aspergillum le spicole possono piegarsi circa 2,4 volte di più rispetto alle spicole senza strati.

Sbloccare il segreto per strutture più forti

Il prossimo passo nella mia ricerca è capire perché la semplice disposizione del vetro in strati concentrici ha un effetto così grande sulla resistenza alla flessione. Il piano è quello di derivare equazioni in grado di prevedere la forza di una trave con un certo numero di strati concentrici e spessori di strato:la terza fase del processo di ingegneria bio-ispirato. Se le mie equazioni sono corrette, dovrebbero essere in grado di prevedere con precisione il miglioramento della forza che ho misurato.

Alcuni anni fa ho fatto parte di un team che ha sviluppato un modello teorico per fare questo tipo di previsione. Però, le equazioni che compongono questo modello prevedono che gli strati dovrebbero aumentare la resistenza alla flessione della spicola solo di un massimo del 33 percento, ben diverso dall'aumento del 140 percento che ho recentemente misurato nelle spicole reali. Questa differenza suggerisce che c'è qualcosa che manca nel nostro modello, e che dobbiamo tornare indietro e rivedere queste equazioni.

Una volta che abbiamo un modello accurato, potremmo usare le equazioni per progettare spicole, travi a strati che sono molto più forti delle strutture moderne di oggi. Questi raggi stratificati potrebbero infine essere utilizzati per creare razzi, aeroplani, e gli habitat spaziali che sono sostanzialmente più leggeri, e quindi più efficiente, rispetto a quelli che usiamo oggi. In un modo, segreti di progettazione dal fondo dell'oceano potrebbero eventualmente aiutarci a esplorare nuovi mondi.

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. Leggi l'articolo originale.