Le strutture Bouligand, presenti in materiali naturali come squame di pesce, peritoneo di aragosta e ossa, sono note per fornire proprietà meccaniche eccezionali ai biomateriali. Sebbene siano stati compiuti progressi nella creazione di materiali bioispirati, la maggior parte della ricerca si è concentrata sull’assemblaggio delle fibre. Ora è necessaria una comprensione più approfondita di come le fibre interagiscono per migliorare le funzioni meccaniche.
Un gruppo di ricerca guidato dall'accademico Yu Shuhong dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina (USTC) dell'Accademia Cinese delle Scienze (CAS) ha introdotto una struttura Bouligand bioispirata con un'interfaccia interfibrosa gerarchica e riconfigurabile che aumenta significativamente la resistenza meccanica e la tenacità attraverso trasferimento dinamico del carico e dissipazione dell'energia, offrendo una nuova strategia per la creazione di materiali strutturali avanzati.
L'articolo è pubblicato sulla rivista Science Advances .
Inizialmente il team aveva utilizzato nanofibre di cellulosa batterica come matrice modello, ma aveva faticato a capire in che modo l’orientamento delle nanofibre influenzasse il comportamento micromeccanico. Per affrontare questo problema, hanno condotto simulazioni di dinamica molecolare su larga scala con diversi angoli di orientamento.
I risultati hanno rivelato che l'ottimizzazione della dimensione della rete di legami idrogeno attraverso strutture di reticolazione ha migliorato la capacità di trasferimento del carico e la resistenza ai danni.
Inoltre, il team ha osservato che angoli di orientamento eccessivi indeboliscono l’efficienza di trasferimento del carico e la densità dei legami idrogeno tra le catene, con conseguente diminuzione delle proprietà meccaniche. Ciò ha evidenziato l'importanza di un ordine moderato per un'interazione interfacciale ottimale.
L'ordine moderato ha integrato la microstruttura e i legami a idrogeno, superando l'ordine strutturale elevato grazie ai compromessi tra orientamento strutturale, incastro delle fibre e dimensioni della rete di legami a idrogeno.
Inoltre, il team ha identificato un’ampia zona d’ombra attorno alle crepe e ha rivelato micromovimenti delle nanofibre primitive. La luce a polarizzazione incrociata è stata utilizzata per monitorare questo micromovimento all'interno dello strato di membrana, consentendo la preparazione di materiali strutturali Bouligand bioispirati con accoppiamento multiscala tramite impilamento elicoidale e densificazione con pressa a caldo.
La struttura Bouligand bioispirata dell'USTC, resa possibile da un moderato ordine, mostra proprietà meccaniche e stabilità dimensionale eccezionali e può avere applicazioni in campi biomedici come la riparazione e la sostituzione del tessuto fibrocartilagineo.
Ulteriori informazioni: Si-Ming Chen et al, Interfaccia interfibrosa gerarchica e riconfigurabile della struttura Bouligand bioispirata resa possibile da un moderato ordine, Progressi scientifici (2024). DOI:10.1126/sciadv.adl1884
Informazioni sul giornale: La scienza avanza
Fornito dall'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina
