Immagine al microscopio ottico della sezione trasversale di una squama di carpa che mostra una struttura multistrato. Credito:Quan et al., Struttura e adattabilità meccanica di una moderna squama elasmoide della carpa comune, Questione
L'uomo ha tratto ispirazione tecnologica dalle squame dei pesci fin dai tempi antichi:romani, egiziani, e altre civiltà vestivano i loro guerrieri con armature a scaglie, fornendo protezione e mobilità. Ora, utilizzando tecniche avanzate di imaging a raggi X, Gli scienziati del Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) hanno caratterizzato le squame delle carpe fino alla nanoscala, consentendo loro di capire come il materiale è resistente alla penetrazione pur mantenendo la flessibilità.
I ricercatori hanno utilizzato potenti fasci di raggi X presso l'Advanced Light Source (ALS) del Berkeley Lab per osservare come le fibre delle scaglie di carpa reagiscono quando viene applicato lo stress. Come hanno scritto nel loro giornale, pubblicato di recente sulla rivista Questione , ciò che hanno scoperto "potrebbe fornire ulteriore ispirazione per la progettazione di materiali strutturali sintetici avanzati con una durezza e una resistenza alla penetrazione senza precedenti".
"La struttura dei materiali biologici è assolutamente affascinante, " ha detto l'autore principale Robert Ritchie, della divisione di scienze dei materiali di Berkeley Lab, che ha diretto questo lavoro con Marc Meyers, un professore di nanoingegneria e ingegneria meccanica alla UC San Diego. "Ci piace imitare queste proprietà nei materiali tecnici, ma il primo passo è vedere come lo fa la natura."
Le scaglie di pesce hanno un guscio esterno duro con uno strato interno più morbido che è duro e duttile. Quando qualcosa come i denti di un predatore cerca di affondare nelle squame, il guscio esterno resiste alla penetrazione ma l'interno deve assorbire tutto il carico in eccesso per mantenere la bilancia in un unico pezzo. Come lo fa? Si scopre che le fibre nella scala, che è composto da collagene più minerali, hanno un orientamento contorto, chiamata struttura di Bouligand. Quando si applica una sollecitazione al materiale, le fibre ruotano in sequenza per assorbire il carico in eccesso.
"Si chiama riorientamento adattivo. È come un materiale intelligente, " disse Richie, che è anche professore di scienza e ingegneria dei materiali alla UC Berkeley. "Utilizzando una tecnica chiamata diffusione di raggi X a piccoli angoli, possiamo seguirlo in tempo reale usando il sincrotrone. Lo irradiamo con i raggi X, e possiamo effettivamente vedere le fibre che ruotano e si muovono".
Gli scienziati hanno studiato la struttura delle squame della carpa comune (Cyprinus carpio), Credito:Quan et al., Struttura e adattabilità meccanica di una moderna squama elasmoide della carpa comune, Questione
Il collagene che compone la pelle umana, d'altra parte, è "tutto incasinato come una ciotola di spaghetti, ma può disfarsi e allinearsi per assorbire energia, che rende la pelle incredibilmente resistente allo strappo, " Ha detto Ritchie. La struttura Bouligand nella scala della carpa è molto più organizzata, ma costituisce comunque un meccanismo di tempra molto efficace.
L'altra caratteristica degna di nota di una squama di carpa è il gradiente tra gli strati duri e morbidi. "Se lo facessimo come armatura, avremmo un'interfaccia tra il materiale duro e morbido. L'interfaccia è invariabilmente un luogo in cui iniziano crepe e guasti, " disse Richie, un esperto di come i materiali si guastano. "Il modo in cui la natura lo fa:invece di avere queste interfacce in cui c'è discontinuità tra un materiale e l'altro, la natura crea un gradiente perfetto dal materiale duro a quello morbido (più duro)."
Lavorando in collaborazione con i ricercatori dell'UC San Diego, il team ha precedentemente studiato l'arapaima, un pesce d'acqua dolce amazzonico le cui squame sono così dure da essere impenetrabili ai piranha, così come altre specie. Per questo studio hanno scelto la carpa, una versione moderna dell'antico pesce celacanto, noto anche per avere scaglie che fungono da armatura.
Ora che i meccanismi di deformazione e cedimento delle squame di carpa sono stati caratterizzati, cercare di riprodurre queste proprietà in un materiale tecnico è la prossima sfida. Ritchie ha osservato che i progressi nella stampa 3D potrebbero fornire un modo per produrre gradienti come fa la natura, e quindi realizzare un materiale che sia allo stesso tempo duro e duttile.
"Una volta che avremo una migliore padronanza su come manipolare la stampa 3D, possiamo iniziare a creare più materiali a immagine della natura, " Egli ha detto.
