madreperla naturale, come le cozze, è uno dei più difficili, materiali naturali più stabili e rigidi. I ricercatori ne sono sempre stati affascinati. La struttura della madreperla è squisita al microscopio elettronico; sembra un muro di mattoni in miniatura, le cui fughe sono riempite di malta. I mattoni sono composti da minuscole lastre di carbonato di calcio impilate l'una sull'altra e interconnesse con ponti minerali, e riempito con un mortaio composto da una sostanza organica.

I ricercatori dell'ETH del Group for Complex Materials guidati da André R. Studart hanno studiato e imitato questa struttura. Gli scienziati dei materiali utilizzano un processo speciale sviluppato da loro per produrre materiali simili alla madreperla.

Usano lastre di ossido di alluminio disponibili in commercio di alcune decine di micrometri e una resina epossidica che funge da cemento per giunti. In un campo magnetico rotante, i ricercatori allineano le piastre magnetizzate disciolte in soluzione acquosa come desiderato in una direzione, e ad alta pressione e temperature di circa 1000 gradi Celsius solidificano il materiale con l'aggiunta di una resina. Ciò si traduce in un materiale composito con microstruttura simile alla madreperla naturale.

I ponti rafforzano la struttura

Per rendere la madreperla artificiale ancora più stabile e dura, il team ora ha utilizzato tali piastre rivestite con ossido di titanio. L'ossido di titanio inizia a fondere a circa 800 gradi, che è un punto di fusione più basso dell'ossido di alluminio. Le goccioline di ossido di titanio si formano sulla superficie delle piastrine e si trasformano in ponti, rafforzando così l'intera struttura. "Questi ponti influenzano anche in modo significativo, la forza del materiale, "dice Kunal Masania, coautore di uno studio appena pubblicato sulla rivista tecnica PNAS .

La densità di questi ponti in titanio può essere regolata con precisione tramite pressione e temperatura, per produrre madreperla artificiale con le proprietà fisiche desiderate come rigidità, resistenza e tenacità alla frattura. Con l'aiuto di un modello e di esperimenti, i ricercatori hanno calcolato quali condizioni di pressione e temperatura promuovono la formazione delle rispettive proprietà che sono paragonabili in rigidità ai compositi in fibra di carbonio. Con questo, il team ha stabilito un nuovo record mondiale nel combinare rigidità, forza e tenacità in questo tipo di materiale di ispirazione biologica.

Con la tecnologia di nuova concezione, possono essere prodotti materiali simili alla madreperla che hanno proprietà su misura per la rispettiva applicazione. Le possibili applicazioni includono la costruzione, aereo e spazio.