L'osso non è solo un materiale fisso:è un insieme dinamico di strutture in grado di adattare la propria massa e resistenza in base ai carichi che devono supportare.

Lo sviluppo di quel tipo di materiale adattivo è stato a lungo il sogno degli scienziati. Ora per la prima volta, gli scienziati della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell'Università di Chicago hanno sviluppato un materiale in gel che si rafforza se esposto alle vibrazioni.

Non solo gli scienziati sono stati in grado di rendere il materiale 66 volte più forte attraverso le vibrazioni, erano anche in grado di rafforzare solo le aree esposte al movimento. Questo tipo di specificità potrebbe portare a nuovi adesivi e modi migliori per integrare gli impianti all'interno del corpo.

I risultati sono stati pubblicati il ​​22 febbraio sulla rivista Materiali della natura .

"Ogni altro materiale si indebolisce quando viene vibrato, " ha detto Assoc. Prof. Aaron Esser-Kahn, che ha condotto la ricerca. "Questa è la prima volta che invertiamo questo processo, dimostrando che un materiale può rafforzarsi con la vibrazione meccanica."

Formare una seconda rete all'interno del materiale

Quando Esser-Kahn e il suo gruppo hanno iniziato a pensare a come sviluppare materiali adattivi, hanno cercato di sfruttare l'effetto piezoelettrico, che conferisce a determinati materiali la capacità di generare una carica elettrica in risposta a sollecitazioni meccaniche. Una tale carica potrebbe innescare una reazione all'interno di un materiale e rafforzarlo, hanno proposto.

Ma generare la giusta risposta allo stress meccanico si è rivelato difficile. Il team ha testato dozzine di sostanze chimiche diverse prima di trovare quella che funzionava:un gel polimerico mescolato con reattori di tiolo-ene e particelle piezoelettriche di ossido di zinco.

Quando il materiale viene fatto vibrare, le particelle trasducono energia e creano una reazione tiolo-ene, che provoca la reticolazione dei componenti nel materiale. Quella reticolazione forma essenzialmente una seconda rete all'interno del materiale, rafforzandolo.

Sebbene il materiale all'inizio fosse morbido, materiale collagene, all'aumentare della vibrazione, il materiale è stato rafforzato sempre di più. Il team è stato in grado di aumentare la resistenza del materiale fino a 66 volte la sua forza originale, terminando con un materiale che era vicino alla rigidità delle parti interne dell'osso.

"Proprio come l'osso, il materiale si è rafforzato per l'esatta quantità di potere che abbiamo messo in esso, " Disse Esser-Kahn. Non solo, il materiale non si è solo rinforzato in tutto:si è rafforzato selettivamente in aree specifiche in cui è stato sollecitato in misura maggiore.

Creare nuovi tipi di adesivi che si integrano con la carrozzeria

Questo tipo di rafforzamento selettivo potrebbe portare a materiali che possono irrigidirsi selettivamente e un nuovo modo di progettare le strutture. Forse potrebbe diventare parte di un edificio che diventa più forte con l'invecchiamento, o essere utilizzato per far aderire i materiali insieme in un aeroplano.

"Gli adesivi potrebbero essere enormemente influenzati da questo, " Ha detto Esser-Kahn. "Gli adesivi sono quasi sempre il punto di guasto nei materiali. Ciò potrebbe portare a adesivi specializzati che aderiscono e si fissano molto meglio."

Il gruppo sta esaminando come utilizzare il materiale per integrare meglio i materiali artificiali nel corpo umano, negli impianti dell'anca, Per esempio.

"Nessun uomo è uguale all'altro, e un materiale come questo è il modo in cui iniziamo a creare materiali che si comportano come quelli che si trovano in biologia, " Disse Esser-Kahn.

Altri autori sul documento includono i ricercatori post-dottorato Zhao Wang, Jun Wang, e Saikat Manna; studente laureato Jorge Ayarza; l'ex ricercatore laureato Tim Steeves; e Ziying Hu della Northwestern University.