La madreperla, la parte iridescente dei gusci dei molluschi, è un poster per il design ispirato alla biologia. Nonostante sia fatto di gesso fragile, la microstruttura intricata di strati di madreperla gli conferisce una notevole capacità di resistere alla diffusione delle crepe, una proprietà materiale nota come tenacità.

Gli ingegneri che cercano di progettare materiali più resistenti hanno cercato a lungo di imitare questo tipo di stratificazione naturale, che si trova anche nelle conchiglie, corna di cervo e altrove. Ma un nuovo studio dei ricercatori della Brown University serve come avvertimento:non tutte le strutture a strati sono così resistenti.

Lo studio, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , ha testato un'altra microstruttura a strati rinomata per le sue proprietà fisiche:le spicole di ancoraggio di una spugna marina chiamata Euplectella aspergillum. Le spicole sono minuscoli filamenti di vetro stratificato che trattengono le spugne al fondo del mare. La struttura a strati delle spicole è spesso paragonata a quella della madreperla, dicono i ricercatori, ed è stato ipotizzato che la struttura a spicole aumenti allo stesso modo la tenacità. Questo nuovo studio trova il contrario.

"Nonostante le somiglianze tra le architetture di madreperla e spicole di Euplectella, abbiamo scoperto che l'architettura della spicule fa relativamente poco in termini di miglioramento della sua robustezza, contrariamente a un'ipotesi di vecchia data, " ha detto Max Monn, un dottorato di ricerca appena laureato. studente alla Brown e coautore dello studio.

Per lo studio, i ricercatori hanno confrontato la durezza delle spicole di Euplectella con quelle di un'altra specie di spugne, Tethya aurantia. Le spicole di Tethya hanno una composizione chimica simile alle spicole di Euplectella ma mancano della struttura a strati. Per testare la durezza, la squadra ha messo delle piccole tacche nelle spicole e poi le ha piegate. Misurando l'energia consumata quando le cricche si propagano dalle tacche sotto sforzo di flessione, i ricercatori hanno potuto quantificare la durezza di entrambi i tipi di spicole.

Gli esperimenti hanno mostrato pochissime differenze di tenacità tra le due spicole, il che suggerisce che la stratificazione di Euplectella non fornisce molto di un miglioramento della robustezza. Utilizzando la modellazione al computer, i ricercatori sono stati in grado di approfondire il motivo per cui la stratificazione migliora la tenacità in alcuni materiali e non in altri. I modelli hanno mostrato che la curvatura della stratificazione nelle spicole cilindriche sembra disattivare il miglioramento della tenacità delle strutture stratificate. strati piatti, come quelli che si trovano nella madreperla, sembrano impedire che le crepe si diffondano da uno strato all'altro, dicono i ricercatori. Ma in materiali con strati curvi come le spicole di Euplectella, le crepe sono in grado di saltare da uno strato all'altro piuttosto che essere fermate tra gli strati.

I risultati rivelano una relazione precedentemente sconosciuta tra curvatura e tenacità nei materiali stratificati e hanno implicazioni per la progettazione di materiali compositi di ispirazione biologica, dice Haneesh Kesari, un assistente professore alla Brown's School of Engineering e autore senior del documento.

"In particolare, mostra che se si adotta un'architettura a strati per esaltare la tenacità di un materiale, dovresti stare attento alle aree che richiedono che gli strati siano curvi, " Ha detto Kesari. "Le nostre misurazioni delle spicole e i risultati del nostro modello computazionale mostrano che gli strati curvi non forniscono la stessa grandezza di miglioramenti della tenacità di quando gli strati sono piatti".

I risultati non significano che la struttura a strati delle spicole di Euplectella non sia interessante. Il lavoro precedente del laboratorio di Kesari ha dimostrato che la struttura a strati sembra aumentare notevolmente la resistenza alla flessione delle spicole, per resistere a grandi curvature di flessione prima di cedere. Ma la resistenza alla flessione e la tenacità sono proprietà meccaniche molto diverse, e contribuire a dissipare l'idea che la stratificazione migliori sempre la resistenza è un'intuizione utile per il design di ispirazione biologica in generale, dicono i ricercatori.

"Il nostro studio indica che non tutte le architetture a strati forniscono un significativo miglioramento della robustezza, "ha detto Sayaka Kochiyama, uno studente laureato Brown e coautore di studio. "Questa migliore comprensione della relazione struttura-proprietà è necessaria per evitare un'ingenua biomimetica".