I materiali sintetici più resistenti sono spesso quelli che imitano intenzionalmente la natura.

Una sostanza naturale che gli scienziati hanno cercato nella creazione di materiali sintetici è la madreperla, detta anche madreperla. Un eccezionalmente duro, materiale rigido prodotto da alcuni molluschi e che funge da strato interno del guscio, comprende anche lo strato esterno di perle, donando loro il loro fulgido splendore.

Ma mentre le proprietà uniche della madreperla ne fanno un'ispirazione ideale nella creazione di materiali sintetici, la maggior parte dei metodi utilizzati per produrre la madreperla artificiale sono complessi e ad alta intensità energetica.

Ora, un biologo dell'Università di Rochester ha inventato un metodo economico ed ecologico per realizzare la madreperla artificiale utilizzando un componente innovativo:i batteri. La madreperla artificiale creata da Anne S. Meyer, professore associato di biologia a Rochester, e i suoi colleghi è realizzato con materiali prodotti biologicamente e ha la robustezza della madreperla naturale, pur essendo anche rigido e, sorprendentemente, pieghevole.

Il metodo utilizzato per creare il nuovo materiale potrebbe portare a nuove applicazioni in medicina, ingegneria e persino la costruzione di edifici sulla luna.

Proprietà meccaniche impressionanti

Le impressionanti proprietà meccaniche della madreperla naturale derivano dalla sua struttura gerarchica, struttura a strati, che consente all'energia di disperdersi uniformemente nel materiale. In un articolo pubblicato sulla rivista Piccolo , Meyer e i suoi colleghi descrivono il loro metodo per utilizzare due ceppi di batteri per replicare questi strati. Quando hanno esaminato i campioni al microscopio elettronico, la struttura creata dai batteri era stratificata in modo simile alla madreperla prodotta naturalmente dai molluschi.

Sebbene i materiali ispirati alla madreperla siano stati creati sinteticamente prima, i metodi utilizzati per realizzarli in genere comportano attrezzature costose, temperature estreme, condizioni di alta pressione, e sostanze chimiche tossiche, dice Meyer. "Molte persone che creano madreperla artificiale usano strati polimerici che sono solubili solo in soluzioni non acquose, un solvente organico, e poi hanno questo gigantesco secchio di rifiuti alla fine della procedura che deve essere smaltito".

Per produrre madreperla nel laboratorio di Meyer, però, tutto ciò che i ricercatori devono fare è coltivare i batteri e lasciarli riposare in un luogo caldo.

Dai batteri alla madreperla

Per realizzare la madreperla artificiale, Meyer e il suo team creano strati sottili alternati di carbonato di calcio cristallizzato, come il cemento, e polimero appiccicoso. Prima prendono un vetrino di vetro o di plastica e lo mettono in un becher contenente i batteri Sporosarcina pasteurii , una fonte di calcio, e urea (nel corpo umano, l'urea è il prodotto di scarto escreto dai reni durante la minzione). Questa combinazione innesca la cristallizzazione del carbonato di calcio. Per realizzare lo strato polimerico, mettono il vetrino in una soluzione di batteri Bacillus licheniformis , quindi lascia che il becher si sieda in un'incubatrice.

In questo momento ci vuole circa un giorno per costruire uno strato, di circa cinque micrometri di spessore, di carbonato di calcio e polimero. Meyer e il suo team stanno attualmente cercando di rivestire altri materiali come il metallo con la madreperla, e "stiamo provando nuove tecniche per rendere più spesso, materiali simili alla madreperla più velocemente e potrebbe essere l'intero materiale stesso, "dice Meyer.

Costruire case sulla luna

Una delle caratteristiche più vantaggiose della madreperla prodotta nel laboratorio di Meyer è che è biocompatibile, costituita da materiali prodotti dal corpo umano o che gli esseri umani possono comunque mangiare naturalmente. Ciò rende la madreperla ideale per applicazioni mediche come ossa artificiali e impianti, dice Meyer. "Se ti rompi il braccio, Per esempio, potresti inserire un perno di metallo che deve essere rimosso con un secondo intervento chirurgico dopo che l'osso è guarito. Uno spillo fatto con il nostro materiale sarebbe rigido e resistente, ma non dovresti rimuoverlo."

E, mentre il materiale è più duro e rigido della maggior parte delle materie plastiche, è molto leggero, una qualità che è particolarmente preziosa per i mezzi di trasporto come gli aeroplani, Barche, o razzi, dove ogni chilo in più significa carburante extra. Poiché la produzione di madreperla batterica non richiede strumenti complessi, e il rivestimento in madreperla protegge dalla degradazione chimica e dagli agenti atmosferici, è promettente per applicazioni di ingegneria civile come la prevenzione delle crepe, rivestimenti protettivi per il controllo dell'erosione, o per la conservazione di manufatti culturali, e potrebbe essere utile nell'industria alimentare, come materiale di imballaggio sostenibile.

La madreperla potrebbe anche essere un materiale ideale per costruire case sulla luna e su altri pianeti:gli unici "ingredienti" necessari sarebbero un astronauta e un tubicino di batteri, dice Meyer. "La luna ha una grande quantità di calcio nella polvere lunare, quindi il calcio è già lì. L'astronauta porta i batteri, e l'astronauta fa l'urea, che è l'unica altra cosa di cui hai bisogno per iniziare a creare strati di carbonato di calcio."

Anche al di là delle sue qualità di materiale strutturale ideale, la stessa madreperla, come sa qualsiasi proprietario di gioielli di perle, è "molto bella, "Meyer dice, a causa dei suoi strati sovrapposti. Ogni strato impilato ha approssimativamente la stessa lunghezza d'onda della luce visibile. Quando la luce colpisce la madreperla, "le lunghezze d'onda della luce interagiscono con questi strati della stessa altezza in modo che rimbalzino alla stessa lunghezza d'onda della luce visibile". Mentre la madreperla batterica non interagisce con la luce visibile perché gli strati sono più spessi della madreperla naturale, potrebbe interagire con le lunghezze d'onda dell'infrarosso e rimbalzare gli infrarossi su se stesso, Meyer dice, che "può offrire proprietà ottiche uniche".