Le formiche del fuoco formano zattere per sopravvivere alle inondazioni, ma come funzionano questi legami? E cosa possiamo imparare da loro? Un professore della Binghamton University, State University di New York, sta effettuando ricerche su queste domande per ampliare la nostra conoscenza della scienza dei materiali.
Quando un'inondazione colpisce una regione in cui vivono le formiche rosse, la loro risposta di sopravvivenza è quella di unirsi per formare una "zattera" galleggiante che galleggia e mantiene unita la colonia. Consideralo come un materiale condensato e adattivo in cui gli elementi costitutivi, le singole formiche, sono effettivamente vivi.
Rob Wagner, professore assistente della Binghamton University, ha condotto uno studio nell'ambito del Vernerey Soft Matter Mechanics Lab presso l'Università del Colorado Boulder in cui i ricercatori hanno studiato la risposta adattativa di queste zattere viventi. Gli obiettivi sono capire come si trasformano e cambiano autonomamente le loro proprietà meccaniche, quindi incorporare le scoperte più semplici e utili nei materiali artificiali.
"I sistemi viventi mi hanno sempre affascinato, perché raggiungono risultati che i nostri attuali materiali ingegnerizzati non possono nemmeno avvicinare", ha detto. "Produciamo sistemi polimerici, metalli e ceramiche in massa, ma sono passivi. I costituenti non immagazzinano energia per poi convertirla in lavoro meccanico come fa ogni singolo sistema vivente."
Wagner ritiene che lo stoccaggio e la conversione dell'energia siano essenziali per imitare i comportamenti intelligenti e adattivi dei sistemi viventi.
Nella loro pubblicazione più recente negli Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , Wagner e i suoi coautori dell'Università del Colorado hanno studiato il modo in cui le zattere delle formiche di fuoco rispondevano al carico meccanico quando venivano allungate e hanno confrontato la risposta di queste zattere con polimeri dinamici e autoriparanti.
"Molti polimeri sono tenuti insieme da legami dinamici che si rompono, ma possono riformarsi", ha detto Wagner. "Se tirati abbastanza lentamente, questi legami hanno il tempo di ristrutturare il materiale in modo che, invece di fratturarsi, scorra come la melma con cui giocano i nostri bambini, o il gelato soft. Se tirati molto velocemente, però, si rompono più come il gesso . Poiché le zattere sono tenute insieme dalle formiche che si aggrappano l'una all'altra, i loro legami possono rompersi e riformarsi, quindi io e i miei colleghi abbiamo pensato che avrebbero fatto la stessa cosa."
Ma Wagner e i suoi collaboratori scoprirono che, indipendentemente dalla velocità con cui tiravano le zattere, la loro risposta meccanica era quasi la stessa e non scorrevano mai. Wagner ipotizza che le formiche stringano e prolungano di riflesso le loro prese quando sentono la forza perché vogliono stare insieme. Riducono o disattivano il loro comportamento dinamico.
Questo fenomeno di legami che diventano più forti quando viene applicata loro la forza è chiamato comportamento di cattura dei legami e probabilmente migliora la coesione della colonia, il che ha senso per la sopravvivenza.
"Quando tiri i tipici legami con una certa quantità di forza, si lasceranno andare prima e la loro vita si riduce:stai indebolendo il legame tirandolo. Questo è ciò che vedi in quasi tutti i sistemi passivi, " ha detto Wagner.
"Ma nei sistemi viventi, a causa della loro complessità, a volte si possono avere legami che resistono per periodi più lunghi sotto una certa gamma di forze applicate. Alcune proteine lo fanno meccanicamente e automaticamente, ma non è che le proteine stiano prendendo una decisione. Essi sono semplicemente disposti in modo tale che quando viene applicata una forza, si rivelano questi siti di legame che si agganciano o si "impigliano"."
Wagner ritiene che imitare questi legami nei sistemi ingegnerizzati potrebbe portare a materiali artificiali che mostrano un auto-rafforzamento autonomo e localizzato nelle regioni di maggiore stress meccanico. Ciò potrebbe aumentare la durata di impianti biomedici, adesivi, compositi in fibra, componenti di robotica morbida e molti altri sistemi.
Aggregazioni collettive di insetti come le zattere delle formiche di fuoco stanno già ispirando i ricercatori a sviluppare materiali con proprietà meccaniche e comportamenti reattivi agli stimoli. Un articolo in Materiali naturali all'inizio di quest'anno, condotto dal Ware Responsive Biomaterials Lab della Texas A&M e comprendente il contributo di Wagner e del suo ex relatore di tesi, il professor Franck J. Vernerey, dimostra come i nastri costituiti da gel speciali o materiali chiamati elastomeri a cristalli liquidi possono avvolgersi a causa del riscaldamento, e poi si intrecciano tra loro per formare strutture condensate e solide ispirate da queste formiche
"Una progressione naturale di questo lavoro è quella di rispondere a come possiamo far sì che le interazioni tra questi nastri o altri elementi costitutivi morbidi si" catturino "sotto carico come fanno le formiche rosse e alcune interazioni biomolecolari", ha detto Wagner.
Ulteriori informazioni: Robert J. Wagner et al, La cinetica dei catch bond è determinante per la coesione delle zattere delle formiche di fuoco sotto carico, Atti dell'Accademia nazionale delle scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2314772121
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , Materiali naturali
Fornito dall'Università di Binghamton
