E se le debolezze intrinseche di un materiale rendessero le case e gli edifici più forti durante incendi e terremoti?

I ricercatori della Purdue University hanno una pasta di cemento stampata in 3D, un ingrediente chiave del calcestruzzo e della malta utilizzati per costruire vari elementi di infrastrutture, che diventa più duro sotto pressione come i gusci di artropodi come aragoste e coleotteri. La tecnica potrebbe eventualmente contribuire a strutture più resilienti durante i disastri naturali.

"La natura deve fare i conti con le debolezze per sopravvivere, quindi stiamo usando le debolezze "intrinseche" dei materiali a base di cemento per aumentare la loro tenacità, " ha detto Jan Olek, un professore alla Lyles School of Civil Engineering di Purdue.

L'idea sarebbe quella di utilizzare design ispirati ai gusci di artropodi per controllare come il danno si diffonde tra gli strati stampati di un materiale, come cercare di rompere un mucchio di spaghetti crudi invece di un singolo noodle.

"Gli esoscheletri degli artropodi hanno meccanismi di propagazione delle crepe e di indurimento che possiamo riprodurre in pasta di cemento stampata in 3D, " disse Pablo Zavattieri, Purdue professore di ingegneria civile.

Materiali a base di cemento stampati in 3D, come pasta di cemento, malta e calcestruzzo:darebbero agli ingegneri un maggiore controllo su progettazione e prestazioni, ma i tecnicismi hanno ostacolato il loro ridimensionamento.

Gli ingegneri della Purdue sono i primi a utilizzare la stampa 3D per creare strutture bioispirate utilizzando la pasta di cemento, come mostrato in un articolo pubblicato e nel frontespizio per un prossimo numero di stampa della rivista Materiale avanzato .

"La stampa 3D ha eliminato la necessità di creare uno stampo per ogni tipo di design, in modo da poter ottenere queste proprietà uniche dei materiali a base di cemento che prima non erano possibili, " ha detto Jeffrey Youngblood, Purdue professore di ingegneria dei materiali.

Il team sta anche utilizzando scansioni micro-TC per comprendere meglio il comportamento dei materiali a base di cemento stampati in 3D induriti e sfruttare le loro caratteristiche deboli, come le regioni dei pori che si trovano alle "interfacce" tra gli strati stampati, che favoriscono il cracking. Questa scoperta è stata recentemente presentata alla 1st RILEM International Conference on Concrete and Digital Fabrication.

"La stampa 3D di materiali a base di cemento fornisce il controllo sulla loro struttura, che può portare alla creazione di più elementi strutturali resistenti ai danni e ai difetti come travi o colonne, " disse Mohamadreza "Reza" Moini, un dottorato di ricerca Purdue candidato di ingegneria civile.

Il team è stato inizialmente ispirato dal gambero di mantide, che conquista la sua preda con un'appendice "mazza dattilo" che diventa più resistente all'impatto attraverso fessure tortuose che dissipano l'energia e impediscono alla mazza di cadere a pezzi.

Alcuni degli elementi di pasta cementizia bioispirati progettati e fabbricati dal team utilizzando tecniche di stampa 3D includono il "nido d'ape, " Design "conforme" e "Bouligand", chiamate "architetture".

Ognuna di queste architetture ha consentito nuovi comportamenti in un elemento stampato in 3D una volta indurito. L'architettura di Bouligand, Per esempio, sfrutta le interfacce deboli per rendere un materiale più resistente alle crepe, considerando che l'architettura cedevole fa sì che gli elementi cementizi agiscano come una molla, anche se sono fatti di materiale fragile.

Il team prevede di esplorare altri modi in cui gli elementi a base di cemento potrebbero essere progettati per costruire strutture più resistenti.