Materiali naturali come la pelle, la cartilagine e i tendini sono abbastanza resistenti da sostenere il nostro peso corporeo e i nostri movimenti, ma abbastanza flessibili da non rompersi facilmente. Sebbene diamo per scontate queste proprietà, replicare questa combinazione unica in materiali sintetici è molto più difficile di quanto sembri. Ora, gli scienziati dell'EPFL hanno sviluppato un nuovo modo di rendere forti, polimeri compositi flessibili che imitano più da vicino i materiali trovati nel mondo naturale. La loro svolta, descritto in un articolo apparso in Materiali funzionali avanzati , potrebbe avere applicazioni in campi come la robotica morbida e gli impianti di protesi cartilaginea.

Normalmente, gli idrogel sintetici rientrano in due categorie di materiali molto diverse. Il primo tipo, che include il vetro della finestra e alcuni polimeri, sono duri e portanti ma notoriamente poveri di energia assorbita:anche la minima crepa può diffondersi attraverso la struttura. I materiali del secondo gruppo sono in grado di resistere meglio alla fessurazione, ma c'è un compromesso:sono estremamente morbidi, così morbidi, infatti, che non possono sopportare carichi pesanti. Eppure alcuni compositi naturali, costituiti da una combinazione di materiali biologici e proteine, compreso il collagene, sono sia forti che resistenti alle crepe. Devono queste proprietà alla loro struttura altamente precisa, dalla scala nanometrica a quella millimetrica:ad esempio, le fibre tessute sono organizzate in strutture più grandi, che a loro volta provvedono a formare altre strutture, e così via.

"Siamo ancora molto lontani dall'essere in grado di controllare la struttura dei materiali sintetici su così tante scale diverse, "dice Esther Amstad, un assistente professore presso il Soft Materials Laboratory dell'EPFL e l'autore principale del documento. Eppure Matteo Hirsch e Alvaro Charlet, due assistenti di dottorato che lavorano sotto la guida di Amstad, hanno ideato un nuovo approccio alla costruzione di compositi sintetici, prendendo spunto dal mondo naturale. "In natura, gli elementi costitutivi di base sono incapsulati in compartimenti, che vengono poi rilasciati in modo altamente localizzato, " spiega Amstad. "Questo processo fornisce un maggiore controllo sulla struttura finale di un materiale e sulla composizione locale. Abbiamo adottato un approccio simile, organizzare i nostri blocchi di costruzione in compartimenti e poi assemblarli in una sovrastruttura."

Primo, gli scienziati hanno incapsulato monomeri in goccioline di un'emulsione di acqua e olio, che fungono da scomparti. Dentro le goccioline, i monomeri si legano insieme per formare una rete di polimeri. A questo punto, le microparticelle sono stabili ma le interazioni tra loro sono deboli, il che significa che il materiale non tiene insieme bene. Prossimo, le microparticelle, che sono altamente porose come spugne, sono state immerse in un altro tipo di monomero prima che il materiale venisse ridotto a formare una sorta di pasta. Il suo aspetto, come dice Alvaro Charlet, è "un po' come la sabbia bagnata che può essere modellata in un castello di sabbia".

Gli scienziati hanno quindi stampato in 3D la pasta e l'hanno esposta alle radiazioni UV. Ciò ha causato la polimerizzazione dei monomeri aggiunti nella seconda fase. Questi nuovi polimeri intrecciati con quelli formati in precedenza nel processo, indurendo così la pasta. Ne è risultato un eccezionalmente forte, materiale resistente. Il team di ricerca ha dimostrato che un tubo di soli 3 mm di diametro può sopportare un carico di trazione fino a 10 kg e un carico di compressione fino a 80 kg senza danni alla sua integrità strutturale.

La loro scoperta ha potenziali usi nella robotica morbida, dove i materiali che imitano le proprietà dei tessuti viventi sono molto ricercati. Il processo innovativo potrebbe essere applicato anche per sviluppare materiali biocompatibili per impianti di protesi cartilaginea.