Ispirandosi al modo in cui le termiti costruiscono i loro nidi, i ricercatori del Caltech hanno sviluppato una struttura per progettare nuovi materiali che imitano le regole fondamentali nascoste nei modelli di crescita della natura. I ricercatori hanno dimostrato che, utilizzando queste regole, è possibile creare materiali progettati con specifiche proprietà programmabili.

La ricerca, guidata da Chiara Daraio, G. Bradford Jones Professor of Mechanical Engineering and Applied Physics and Heritage Medical Research Institute Investigator, è stata pubblicata sulla rivista Science il 26 agosto.

"Le termiti sono lunghe solo pochi millimetri, ma i loro nidi possono raggiungere i 4 metri, l'equivalente di un essere umano che costruisce una casa all'altezza del Mount Whitney in California", afferma Daraio. Se guardi all'interno di un termitaio vedrai una rete di strutture asimmetriche e interconnesse, come l'interno di una pagnotta o di una spugna. Fatta di granelli di sabbia, polvere, sporco, saliva e sterco, questa struttura disordinata e irregolare sembra arbitraria, ma un termitaio è specificamente ottimizzato per la stabilità e la ventilazione.

"Abbiamo pensato che, comprendendo come una termite contribuisce alla fabbricazione del nido, avremmo potuto definire semplici regole per la progettazione di materiali architettonici con proprietà meccaniche uniche", afferma Daraio. I materiali progettati sono solidi simili a schiuma o compositi che comprendono i mattoni che vengono poi organizzati in strutture 3D, dalla scala nanometrica a quella micrometrica. Fino a questo punto, il campo dei materiali architettonici si è concentrato principalmente sulle architetture periodiche:tali architetture contengono una cella unitaria a geometria uniforme, come un ottaedro o un cubo, e quindi quelle celle unitarie vengono ripetute per formare una struttura reticolare. Tuttavia, concentrarsi su strutture ordinate ha limitato le funzionalità e l'uso dei materiali architettonici.

"Le architetture periodiche sono convenienti per noi ingegneri perché possiamo fare ipotesi nell'analisi delle loro proprietà. Tuttavia, se pensiamo alle applicazioni, non sono necessariamente la scelta di progettazione ottimale", afferma Daraio. Le strutture disordinate, come quella di un termitaio, sono più diffuse in natura rispetto alle strutture periodiche e spesso mostrano funzionalità superiori, ma, fino ad ora, gli ingegneri non avevano trovato un modo affidabile per progettarle.

"Il modo in cui abbiamo affrontato il problema per la prima volta è stato pensando al numero limitato di risorse di una termite", afferma Daraio. Quando costruisce il suo nido, una termite non ha un progetto del progetto generale del nido; può prendere decisioni solo in base alle regole locali. Ad esempio, una termite può usare granelli di sabbia che trova vicino al suo nido e unire i granelli seguendo le procedure apprese da altre termiti. Un granello di sabbia rotondo può adattarsi a una forma a mezzaluna per una maggiore stabilità. Tali regole di base di adiacenza possono essere utilizzate per descrivere come costruire un termitaio. "Abbiamo creato un programma numerico per la progettazione dei materiali con regole simili che definiscono come due diversi blocchi di materiale possono aderire l'uno all'altro", afferma.

Questo algoritmo, che Daraio e il team hanno soprannominato "programma di crescita virtuale", simula la crescita naturale delle strutture biologiche o la fabbricazione di termiti. Invece di un granello di sabbia o di un granello di polvere, il programma di crescita virtuale utilizza geometrie di materiali unici, o elementi costitutivi, nonché linee guida di adiacenza su come questi elementi costitutivi possono attaccarsi l'uno all'altro. I blocchi virtuali utilizzati in questo lavoro iniziale includono una forma a L, una forma a I, una forma a T e una forma a +. Inoltre, alla disponibilità di ciascun elemento costitutivo viene assegnato un limite definito, parallelamente alle risorse limitate che una termite potrebbe incontrare in natura. Utilizzando questi vincoli, il programma costruisce un'architettura su una griglia e quindi tali architetture possono essere tradotte in modelli fisici 2D o 3D.

"Il nostro obiettivo è generare geometrie disordinate con proprietà definite dallo spazio combinatorio di alcune forme essenziali, come una linea retta, una croce o una forma a 'L'. Queste geometrie possono quindi essere stampate in 3D con una varietà di diversi materiali costitutivi a seconda sui requisiti delle applicazioni", afferma Daraio.

Rispecchiando la casualità di un termitaio, ogni geometria creata dal programma di crescita virtuale è unica. La modifica della disponibilità di elementi costitutivi a forma di L, ad esempio, si traduce in un nuovo insieme di strutture. Daraio e il team hanno sperimentato gli input virtuali per generare più di 54.000 campioni simulati con architettura; i campioni potrebbero essere raggruppati in gruppi con diverse caratteristiche meccaniche che potrebbero determinare come si deforma un materiale, la sua rigidità o la sua densità. Tracciando graficamente la relazione tra la disposizione degli elementi costitutivi, la disponibilità di risorse e le caratteristiche meccaniche risultanti, Daraio e il team possono analizzare le regole alla base delle strutture disordinate. Questo rappresenta un quadro completamente nuovo per l'analisi e l'ingegneria dei materiali.

"Vogliamo comprendere le regole fondamentali della progettazione dei materiali per poi creare materiali che abbiano prestazioni superiori rispetto a quelli che attualmente utilizziamo in ingegneria", afferma Daraio. "Per esempio, prevediamo la creazione di materiali più leggeri ma anche più resistenti alla frattura o meglio assorbire gli impatti meccanici e le vibrazioni."

Il programma di crescita virtuale esplora la frontiera inesplorata dei materiali disordinati emulando il modo in cui una termite costruisce il suo nido piuttosto che replicare la configurazione del nido stesso. "Questa ricerca mira a controllare il disordine nei materiali per migliorare le proprietà meccaniche e altre proprietà funzionali utilizzando la progettazione e strumenti analitici non sfruttati prima", afferma Daraio. + Esplora ulteriormente

Una nuova ricerca identifica le regole che usano le termiti per costruire i loro nidi