I materiali super-resilienti che si trovano nel regno animale devono la loro forza e robustezza a una strategia di progettazione che fa sì che le crepe seguano lo schema di torsione delle fibre, prevenire guasti catastrofici.

I ricercatori in una recente serie di articoli hanno documentato questo comportamento nei minimi dettagli e stanno anche creando nuovi materiali compositi modellati sul fenomeno. Il lavoro è stato svolto da un team di ricercatori della Purdue University in collaborazione con l'Università della California, Lungofiume.

I ricercatori hanno studiato la forza soprannaturale di un materiale composito in una creatura marina chiamata gambero mantide, che usa un'appendice resistente agli urti per sottomettere la sua preda.

"Però, stiamo assistendo a questo stesso tipo di strategia di progettazione non solo nel gambero di mantide, ma anche in molti animali, " disse Pablo Zavattieri, un professore alla Lyles School of Civil Engineering di Purdue. "Gli scarabei lo usano nei loro gusci, Per esempio, e lo vediamo anche nelle squame dei pesci, aragoste e granchi."

Ciò che distingue il gambero di mantide è che può effettivamente distruggere e sconfiggere le sue prede corazzate (principalmente molluschi e altri granchi), che sono anche noti per la loro tolleranza ai danni e le eccellenti proprietà meccaniche. La canocchia li conquista con la sua "mazza dattilo, "un'appendice che scatena una raffica di impatti feroci con la velocità di un proiettile calibro .22.

Nuove scoperte mostrano che il materiale composito del club diventa effettivamente più duro quando una crepa cerca di torcersi, di fatto arrestandone il progresso. Questa torsione della fessura è guidata dalle fibre di chitina del materiale, la stessa sostanza che si trova in molte conchiglie di crostacei marini ed esoscheletri di insetti, disposti in un'architettura elicoidale che ricorda una scala a chiocciola.

"Questo meccanismo non è mai stato studiato in dettaglio prima, “Quello che stiamo riscontrando è che man mano che una crepa si attorciglia la forza motrice per crescere la crepa diminuisce progressivamente, promuovere la formazione di altri meccanismi simili, che impediscono al materiale di cadere a pezzi in modo catastrofico. Penso che possiamo finalmente spiegare perché il materiale è così duro".

Due articoli sono stati pubblicati sul Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials e sull'International Journal of Solids and Structures. I documenti sono stati co-autori dello studente di dottorato di Purdue Nobphadon Suksangpanya; studente di dottorato UC Riverside Nicholas A. Yaraghi; David Kisailus, un professore di ingegneria chimica e ambientale e scienza e ingegneria dei materiali presso la University of California Riverside; e Zavattieri.

"Questa nuova entusiasmante analisi, lavoro computazionale e sperimentale, che fa seguito alla nostra caratterizzazione biocomposita iniziale dell'elicoide all'interno del club del gambero mantide e al lavoro composito biomimetico, fornisce davvero una visione più profonda dei meccanismi di indurimento all'interno di questa struttura unica, " disse Kisailus.

"La novità di questo lavoro è che, dal lato della teoria, abbiamo sviluppato un nuovo modello, e dal lato sperimentale abbiamo usato materiali consolidati per creare compositi che convalidano questa teoria, ", ha detto Zavattieri.

Ricerche precedenti hanno dimostrato che questa architettura elicoidale è naturalmente progettata per sopravvivere ai ripetuti colpi ad alta velocità, rivelando che le fibre sono anche disposte a spina di pesce nello strato esterno dell'appendice.

Nella nuova ricerca, il team ha appreso in modo specifico perché questo modello conferisce tale robustezza:quando si formano crepe, seguono il modello di torsione piuttosto che diffondersi direttamente attraverso la struttura, facendolo fallire. Le immagini scattate con un microscopio elettronico a UC Riverside mostrano che invece di una singola crepa che continua a propagarsi, si formano numerose crepe più piccole che dissipano l'energia assorbita dal materiale al momento dell'impatto.

I ricercatori hanno creato e testato compositi stampati in 3D modellati sul fenomeno, catturare il comportamento della cricca con fotocamere e tecniche di correlazione delle immagini digitali per studiare la deformazione del materiale.

Tubi di Byron, John L. Bray Distinguished Professor of Engineering di Purdue, ha aiutato Suksangpanya a fabbricare compositi rinforzati con fibra di vetro che incorporano questo fenomeno.

"Stiamo stabilendo nuovi meccanismi che prima non erano disponibili per i compositi, "

ha detto Zavattieri. "Tradizionalmente, quando produciamo compositi mettiamo insieme le fibre in modi non ottimali, e la natura ci sta insegnando come dovremmo farlo."

I risultati stanno ora aiutando lo sviluppo di più leggeri, materiali più resistenti e resistenti per molte applicazioni tra cui aerospaziale, automobilistico e sportivo.