La maggior parte delle persone può riferirsi alla rottura del caricabatterie del laptop proprio nel punto in cui il cavo flessibile incontra l'adattatore solido. Questo è solo un esempio di quanto sia difficile unire in modo efficace materiali duri e morbidi. Utilizzando un esclusivo processo di stampa 3D, i ricercatori della TU Delft hanno prodotto interfacce ibride multimateriale che hanno raggiunto una notevole somiglianza con la progettazione naturale delle connessioni osso-tendine. I risultati della loro ricerca, recentemente pubblicati su Nature Communications , hanno numerose potenziali applicazioni.
Nonostante la grande differenza di durezza tra ossa e tendini, le loro intersezioni nel corpo umano non vengono mai meno. È questa connessione osso-tendine che ha ispirato un team di ricercatori della facoltà di Ingegneria meccanica, marittima e dei materiali (3mE) a esplorare modi per ottimizzare le interfacce dure e morbide dei materiali artificiali.
Ogni volta che si verifica una discrepanza tra due materiali collegati, si verifica una concentrazione di stress, spiega Amir Zadpoor, professore di biomateriali e biomeccanica dei tessuti. Ciò significa che lo stress meccanico si estende al punto di connessione e solitamente provoca la rottura del materiale più morbido. Una delle cose osservabili in natura è un cambiamento graduale delle proprietà di un'interfaccia.
"Un materiale duro non diventa improvvisamente un materiale morbido", afferma Zadpoor. "Cambia gradualmente e questo attenua la concentrazione dello stress." Tenendo presente questo, i ricercatori hanno utilizzato diverse geometrie e una tecnica di stampa 3D multimateriale per aumentare l'area di contatto tra le interfacce dure e morbide, emulando così il design della natura.
Un'altra considerazione progettuale è che la forza che un materiale morbido può tollerare prima della rottura è inferiore a quella di un materiale duro. "È importante solo rendere l'interfaccia forte quanto il materiale morbido, perché se è più forte, il materiale morbido cederà comunque e questo è il tuo limite teorico", afferma il dottor Mauricio Cruz Saldivar, il primo autore del manoscritto.
I ricercatori sono stati in grado di aumentare i valori di resistenza delle interfacce del 50% rispetto a un gruppo di controllo. Secondo il team, avvicinarsi al limite di ciò che è teoricamente possibile è uno dei principali contributi di questa ricerca. Ma lo studio ha anche prodotto una serie di linee guida di progettazione per migliorare le prestazioni meccaniche delle interfacce soft-hard bioispirate, principi universalmente applicabili.
Un intero prodotto in una volta sola
La tecnica sviluppata dal team consente anche la realizzazione di un intero prodotto in una sola volta. Questo è importante perché i prodotti composti da più materiali sono generalmente fissati tramite adesivi. Le parti potrebbero essere assemblate o collegate meccanicamente come nelle applicazioni automobilistiche o aerospaziali.
"Ma quello che stiamo cercando di fare è eliminare i passaggi aggiuntivi necessari e avere tutto in una volta sola", afferma la professoressa assistente Zjenja Doubrovski. "Ciò ci consente di combinare insieme materiali ancora più esotici, ad esempio materiali che hanno una maggiore resistenza allo smorzamento rispetto a materiali più resistenti." E questa combinazione consente una gamma più ampia di applicabilità.
Molte cose si possono fare con questa tecnologia. Le potenziali applicazioni includono dispositivi medici, robotica morbida e dispositivi flessibili. Ma il team mira anche a esplorare la possibilità di creare interfacce con le cellule viventi per consentire procedure come il collegamento degli impianti ai tessuti molli circostanti.
"Alla fine, vorremmo rigenerare l'osso e la connessione tra l'osso e il muscolo", afferma il professore assistente Mohammad J. Mirzaali. "Ciò significherebbe integrare le cellule viventi in questa interfaccia, il che aggiungerebbe più livelli di complessità alla struttura." In definitiva, i risultati di questo lavoro lasciano la porta aperta a una serie di studi futuri.
Ulteriori informazioni: M. C. Saldívar et al, Progettazione razionale bioispirata di interfacce bimateriali stampate in 3D morbido-duro, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-43422-9
Informazioni sul giornale: Comunicazioni sulla natura
Fornito dall'Università della Tecnologia di Delft
