Capovolgi un'aragosta sulla schiena, e vedrai che la parte inferiore della sua coda è divisa in segmenti collegati da una membrana traslucida che appare piuttosto vulnerabile se confrontata con il carapace simile a un'armatura che protegge il resto del crostaceo.

Ma gli ingegneri del MIT e altrove hanno scoperto che questa membrana morbida è sorprendentemente resistente, con un microscopico, a strati, struttura simile al compensato che lo rende notevolmente tollerante a graffi e tagli. Questo film ingannevolmente resistente protegge la pancia dell'aragosta mentre l'animale si muove sul fondale roccioso.

La membrana è anche elastica, fino a un certo punto, che permette all'aragosta di sbattere la coda avanti e indietro, e rende difficile per un predatore masticare la coda o separarla.

Questa flessibilità può derivare dal fatto che la membrana è un idrogel naturale, composto per il 90% da acqua. chitina, un materiale fibroso che si trova in molti gusci ed esoscheletri, costituisce la maggior parte del resto.

I risultati del team mostrano che la membrana dell'aragosta è il materiale più resistente di tutti gli idrogel naturali, compreso il collagene, pelli di animali, e gomma naturale. La membrana è resistente quanto i compositi di gomma industriali, come quelli usati per fabbricare pneumatici per auto, tubi da giardino, e nastri trasportatori.

La membrana resistente ma elastica dell'aragosta potrebbe fungere da guida di progettazione per un'armatura più flessibile, in particolare per le regioni del corpo altamente mobili, come gomiti e ginocchia.

"Pensiamo che questo lavoro potrebbe motivare la progettazione flessibile dell'armatura, "dice Ming Guo, il d'Arbeloff Career Development Assistant Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT. "Se potessi creare armature con questi tipi di materiali, potevi muovere liberamente le tue articolazioni, e ti farebbe sentire più a tuo agio."

Il documento completo che descrive in dettaglio i risultati del team è apparso online il 14 febbraio sulla rivista Acta Materialia. (La rivista ha pubblicato una prova non corretta il 31 gennaio.) I coautori di Guo sono Jinrong Wu e Hao Zhang della Sichuan University, Liangliang Qu e Fei Deng dell'Università di Harvard, e Zhao Qin, che è un ricercatore presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del MIT e un altro autore senior dell'articolo.

Protezione flessibile

Guo ha iniziato a esaminare le proprietà della membrana dell'aragosta dopo una cena con un visitatore del suo laboratorio.

"Non aveva mai mangiato aragosta prima, e volevo provarlo, "Ricorda Guo. "Mentre la carne era molto buona, si rese conto che la membrana trasparente della pancia era davvero difficile da masticare. E ci siamo chiesti perché fosse così".

Sebbene molte ricerche siano state dedicate al carattere distintivo dell'aragosta, guscio simile a un'armatura, Guo ha scoperto che non si sapeva molto dei tessuti più morbidi del crostaceo.

"Quando le aragoste nuotano, allungano e muovono le loro articolazioni e girano la coda molto velocemente per sfuggire ai predatori, " dice Guo. "Non possono essere completamente ricoperti da un guscio duro:hanno bisogno di queste connessioni più morbide. Ma nessuno ha mai guardato la membrana prima, che è molto sorprendente per noi."

Così lui ei suoi colleghi hanno iniziato a caratterizzare le proprietà del materiale insolito. Tagliano ogni membrana a fettine sottili, ognuno dei quali è stato sottoposto a vari test sperimentali. Posero alcune fette in un piccolo forno ad asciugare, poi in seguito misurato il loro peso. Da queste misurazioni, hanno stimato che il 90 percento della membrana dell'aragosta è costituito da acqua, rendendolo un materiale idrogel.

Hanno tenuto altri campioni in acqua salata per imitare un ambiente oceanico naturale. Con alcuni di questi campioni, hanno eseguito prove meccaniche, ponendo ogni membrana in una macchina che allunga il campione, misurando con precisione la forza applicata. Hanno osservato che la membrana era inizialmente floscia e si allungava facilmente, fino a raggiungere circa il doppio della sua lunghezza iniziale, a quel punto il materiale ha iniziato ad irrigidirsi ed è diventato progressivamente più tenace e resistente allo stiramento.

"Questo è abbastanza unico per i biomateriali, " osserva Guo. "Per molti altri idrogel resistenti, più ti allunghi, più sono morbidi. Questo comportamento di irrigidimento potrebbe consentire alle aragoste di muoversi in modo flessibile, ma quando succede qualcosa di brutto, possono irrigidirsi e proteggersi."

Compensato naturale di aragosta

Mentre un'aragosta si fa strada sul fondo del mare, può raschiare contro rocce abrasive e sabbia. I ricercatori si sono chiesti quanto sarebbe resistente la membrana dell'aragosta a graffi e tagli così piccoli. Hanno usato un piccolo bisturi per graffiare i campioni di membrana, poi li tese allo stesso modo delle membrane intatte.

"Abbiamo fatto dei graffi per imitare ciò che potrebbe accadere quando si muovono attraverso la sabbia, Per esempio, "Spiega Guo. "Abbiamo persino tagliato metà dello spessore della membrana e abbiamo scoperto che poteva essere allungata ugualmente. Se lo hai fatto con i compositi di gomma, si romperebbero».

I ricercatori hanno quindi ingrandito la microstruttura della membrana utilizzando la microscopia elettronica. Quello che hanno osservato era una struttura molto simile al compensato. Ogni membrana, misura circa un quarto di millimetro di spessore, è composto da decine di migliaia di strati. Un singolo strato contiene un numero incalcolabile di fibre di chitina, simili a filamenti di paglia, tutti orientati con la stessa angolazione, esattamente 36 gradi sfalsati dallo strato di fibre sopra. Allo stesso modo, il compensato è tipicamente costituito da tre o più strati sottili di legno, la grana di ogni strato orientata perpendicolarmente agli strati sopra e sotto.

"Quando ruoti l'angolo delle fibre, strato per strato, hai una buona forza in tutte le direzioni, " Guo dice. "Le persone hanno utilizzato questa struttura in materiali secchi per la tolleranza ai difetti. Ma questa è la prima volta che viene vista in un idrogel naturale".

Guidato da Qin, il team ha anche effettuato simulazioni per vedere come una membrana di aragosta avrebbe reagito a un semplice taglio se le sue fibre di chitina fossero allineate come il compensato, rispetto a orientamenti completamente casuali. Per fare questo, hanno prima simulato una singola fibra di chitina e le hanno assegnato determinate proprietà meccaniche, come forza e rigidità. Hanno quindi riprodotto milioni di queste fibre e le hanno assemblate in una struttura a membrana composta da fibre completamente casuali o da strati di fibre orientate con precisione, simile alla membrana di aragosta reale.

"È incredibile avere una piattaforma che ci permetta di testare e mostrare direttamente come fibre di chitina identiche producano proprietà meccaniche molto diverse una volta che sono integrate in varie architetture", afferma Qin.

Finalmente, i ricercatori hanno creato una piccola tacca attraverso entrambe le membrane casuali e stratificate, e forze programmate per allungare ciascuna membrana. La simulazione ha visualizzato lo stress in ogni membrana.

"Nella membrana casuale, lo stress era tutto uguale, e quando l'hai allungato, si è rapidamente fratturato, " dice Guo. "E abbiamo trovato la struttura a strati più allungata senza rompersi."

"Un mistero è come le fibre di chitina possono essere guidate per assemblarsi in un'architettura a strati così unica per formare la membrana dell'aragosta, " dice Qin. "Stiamo lavorando per capire questo meccanismo, e credo che tale conoscenza possa essere utile per sviluppare modi innovativi di gestire la microstruttura per la sintesi dei materiali."

Oltre all'armatura flessibile, Guo says materials designed to mimic lobster membranes could be useful in soft robotics, as well as tissue engineering. Se qualcosa, the results shed new light on the survival of one of nature's most resilient creatures.

"We think this membrane structure could be a very important reason for why lobsters have been living for more than 100 million years on Earth, " Guo says. "Somehow, this fracture tolerance has really helped them in their evolution."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.