Lo strato esterno di un guscio di abalone, visto qui, è lucidato fino a quando lo strato madreperlaceo è esposto. I ricercatori del MIT hanno correlato i risultati di micro-indentazione e piezo-Raman per valutare e quantificare la quantità di stress dissipata attraverso la struttura gerarchica del materiale. Credito:Massachusetts Institute of Technology
Madreperla, il materiale cangiante che riveste i gusci dei molluschi come la madreperla e l'abalone, è stata a lungo una preziosa scoperta di amanti della spiaggia e collezionisti di conchiglie, per la bellezza naturale e la varietà di colori che vi si possono trovare. Ma anche scienziati e ingegneri si sono meravigliati a lungo e hanno studiato la madreperla; è un materiale duro e resistente, composto da strati alternati di piastrine di aragonite e film a base di proteine organiche. Il mondo naturale contiene molti materiali che si sono evoluti nel tempo per ottimizzare la resistenza, durata, e prestazioni. Mentre ricercatori e ingegneri cercano di sviluppare materiali da costruzione migliori e più sostenibili, cercano sempre più ispirazione nella natura.
La composizione fisica della madreperla le consente di resistere a notevoli quantità di pressione e danni lungo le piastrine senza causare danni importanti in tutto il guscio. È stato supposto da alcuni che sia più in gioco delle singole piastrine che consente loro una forza e una durata così straordinarie, ma ai ricercatori mancavano gli strumenti e i processi per approfondire la relazione tra l'orientamento dei cristalli e le proprietà meccaniche, fino ad ora.
Negli ultimi due decenni, i gusci sono stati tipicamente testati per la loro resistenza utilizzando tecniche come il test di flessione macroscopico, micro/nano-indentazione, e microscopio a forza atomica. Ora, Admir Masic, assistente professore di ingegneria civile e ambientale del MIT, studente laureato Hyun-Chae "Chad" Loh, e altri cinque hanno combinato la microscopia elettronica a scansione e la micro-indentazione con la spettroscopia Raman e hanno sviluppato un potente metodo di caratterizzazione chemio-meccanica che consente la mappatura tridimensionale dello stress e della deformazione attraverso una tecnica nota come piezo-Raman.
"Abbiamo sviluppato una metodologia per estrarre importanti informazioni chemio-meccaniche da un sistema biologico molto conosciuto e studiato, " spiega Masic, i cui risultati sono stati recentemente pubblicati su Communications Materials. "La correlazione tra micro-indentazione e risultati piezo-Raman ci ha permesso di valutare e quantificare la quantità di stress dissipata attraverso la struttura gerarchica".
Il nuovo approccio alla quantificazione delle prestazioni meccaniche del materiale è sufficiente per essere di per sé una grande novità, ma durante il processo Masic e altri ricercatori, ai quali attribuisce gran parte del lavoro in questo sforzo collaborativo, sono rimasti sorpresi dai risultati.
in madreperla, la direzione di propagazione della cricca è sia perpendicolare (modo I) che parallela (modo II) alla forza di trazione. I ricercatori hanno scoperto che i salti di crack (modalità II) sono correlati all'orientamento dei cristalli delle tavolette di aragonite. Credito:Massachusetts Institute of Technology
"Per prima cosa abbiamo applicato questi strumenti per studiare il meccanismo di incrudimento in una scala di pochi micron. Tuttavia, abbiamo notato che la dissipazione di energia non era confinata alla struttura in mattoni e malta, ma stava interessando un'area molto più ampia di quanto ci aspettassimo. Abbiamo ampliato il nostro ambito di studio su una scala più ampia e abbiamo trovato questo nuovo meccanismo di indurimento correlato a una mesostruttura su una scala di 20 micron, " dice Loh. Quello che i ricercatori hanno scoperto è che pile di piastrine di aragonite co-orientate costituiscono un altro livello gerarchico di struttura, che indurisce il materiale quando viene sollecitato.
Raman polarizzato, un'altra tecnica utilizzata in questo studio, ha aiutato il team a osservare quello che è noto come l'orientamento cristallografico dei mattoni di aragonite. Attraverso lo studio dei modelli di orientamento, i ricercatori sono stati in grado di chiarire la caratteristica scala di lunghezza delle cataste di aragonite e metterla in relazione con i modelli di propagazione delle cricche. Le crepe si sono propagate tra i faraglioni di aragonite, evidenziando il loro contributo meccanico alla robustezza della madreperla.
"Questo ci ha dato un'apertura per spiegare potenzialmente cosa sta causando questo indurimento su scala più ampia. Le disposizioni sistematiche dei cristalli possono essere trovate all'interno di altri materiali biominerali, come i nostri denti, e la micro-struttura dei materiali ha un impatto diretto sulla loro funzione", afferma Masic.
L'imitazione di materiali naturali come la madreperla è stata una strategia popolare per la progettazione di nuovi materiali. La piccola scala delle loro strutture, però, rappresenta una sfida per la replica e la produzione delle morfologie naturali. "Con la nostra scoperta, proponiamo una nuova strategia di biomimetica per simulare la struttura della madreperla su una scala di 10 micron o più, invece del livello nano." dice Masic.
È una notizia entusiasmante per i ricercatori che stanno esplorando nuove possibilità per i materiali sintetici ispirati al design naturale.
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.
