I ricercatori stanno cercando nuovi materiali per gettare le basi per strutture viventi che rispondano al loro ambiente. Mirano a creare infrastrutture autosufficienti in grado di monitorare le loro condizioni e persino ripararsi.

Quando Eleni Chatzi non è impegnata a leggere articoli tecnici sui ponti vibranti, infrastrutture intelligenti e ingegneria basata sui dati, le piace immergersi nei romanzi di fantascienza. "Mi piace riflettere su idee non convenzionali e immaginare un mondo che deve ancora venire, "dice Chatzi, Professore di meccanica strutturale all'ETH di Zurigo. Infatti, c'è un tocco di fantascienza quando parla delle applicazioni a cui un giorno la sua ricerca potrebbe portare. Una di queste visioni futuriste sono i ponti che crescono da una manciata di semi e sono costituiti interamente da materiale organico.

Questo ingegnere civile di 38 anni, la cui cattedra ha ricevuto finanziamenti dalla Albert Lück-Stiftung dal 2010, è specializzata nel monitoraggio della salute strutturale. Chatzi diagnostica la salute delle dighe, ponti, turbine eoliche, aeromobili e veicoli che utilizzano sensori, algoritmi che convertono ed elaborano segnali, e apprendimento automatico. Attualmente, gli ingegneri devono installare esternamente i sensori necessari per misurare la tensione, deformazione, accelerazione, vento e fatica, o incorporare questi dispositivi nella progettazione strutturale iniziale. "Però, questo di solito è una spesa extra e un fattore di disturbo, soprattutto nei cantieri, " spiega Chatzi. Le squadre devono installare innumerevoli cavi per trasmettere i dati misurati a un computer centrale per l'analisi. "Ecco perché vorremmo sviluppare infrastrutture e macchine con intelligenza intrinseca che siano consapevoli della loro condizione anche senza sensori montati esternamente, "dice Chatzi.

Calcestruzzo consapevole

Una classe di materiali senza precedenti fornisce la base per questo tipo di infrastruttura auto-consapevole e i ricercatori di tutto il mondo sono stati impegnati a esplorare i loro misteri negli ultimi anni. Un esempio è il calcestruzzo autosensibile intrinseco. Misto con fibre di carbonio, nanotubi di carbonio e polvere di nichel, questo materiale monitora autonomamente le sue condizioni per fornire informazioni su crepe, umidità o carichi insolitamente pesanti. Questi dati vengono persuasi dalla struttura applicando tensione e misurando costantemente la resistenza elettrica.

Una seconda linea di ricerca sui materiali con proprietà autoriparanti va in una direzione simile. L'anno scorso, in un progetto ispirato alla fotosintesi delle piante, Ricercatori statunitensi hanno presentato un polimero che può ripararsi da solo reagendo con l'anidride carbonica nell'aria circostante. Altri gruppi stanno lavorando con i batteri che formano la calce quando esposti all'acqua piovana e ad altra umidità. Aggiunto al cemento, possono sigillare da sole piccole crepe. Sono in corso esperimenti con reti microvascolari che rilasciano fluidi "curativi" quando si verifica una lesione. Rispondendo proprio come l'organismo umano a una ferita della pelle, polimerizzano per riempire le fratture.

Incorporare funzioni biologiche

"Stiamo assistendo a una fusione di scienza dei materiali e biologia, "dice Mark Tibbitt, Professore al Laboratorio di Ingegneria Macromolecolare dell'ETH di Zurigo. Egli osserva che in passato, ingegneri chimici e altri avevano guardato alla natura principalmente come fonte di ispirazione per imitare proprietà come la capacità del fiore di loto di respingere l'acqua. "Oggi, stiamo cercando di incorporare funzioni biologiche nei materiali." Questi sforzi sono alimentati da scoperte nella scienza dei materiali e nella biotecnologia. L'ingegneria del DNA e nuovi metodi di biologia molecolare come l'editing genetico CRISPR/Cas possono ora servire per introdurre nuove funzioni biologiche nelle cellule per molto tempo. scopi specifici. La produzione additiva mediante stampanti 3D consente l'alta risoluzione, progettazione dei materiali basata sui dati. Combinando concetti provenienti da diversi campi:ingegneria chimica, chimica dei polimeri, scienza dei materiali e biologia dei sistemi:la ricerca di Tibbitt mira a sviluppare polimeri tissutali per applicazioni biomediche.

"La cosa affascinante degli organismi viventi è che percepiscono il loro ambiente, reagire ad esso e persino guarire se stessi quando sono feriti. Vogliamo infondere queste qualità nei materiali e nelle infrastrutture, " dice Tibbitt. Crede che le applicazioni future potrebbero includere piante d'appartamento che puliscono l'aria e cambiano il colore delle loro foglie per richiamare l'attenzione sulla qualità dell'aria, ed edifici che cambiano con le stagioni per mantenere il loro clima interno confortevole.

Tibbitt ha incontrato Eleni Chatzi un anno fa a un evento per esplorare strade di ricerca radicalmente nuove. Sebbene i due lavorino su scale molto diverse, parlano spesso degli stessi concetti. Gli argomenti ricorrenti includono materiali che possono "guarirsi" da soli. Recentemente, hanno iniziato a promuovere il dialogo tra i ricercatori dell'ETH sulla vita, materiali e infrastrutture autorilevanti e autorigeneranti. Scienziati dei materiali, chimico, ingegneri civili ed elettrici, biologi e informatici si sono uniti per sviluppare materiali con l'obiettivo di lavorare su scale diverse fin dall'inizio invece di ridimensionarli in una fase successiva. "ETH Zurich è l'hub perfetto per questa impresa perché ha così tanta esperienza in tutte le aree chiave, ", afferma Tibbitt. Nella primavera del 2020 sono previsti un workshop iniziale e un simposio in cui gli esperti discuteranno della questione. L'idea è definire le domande di ricerca e poi avviare i primi progetti transdisciplinari.

Vivere con ambienti animati

Questa è una nuova strada di ricerca che Chatzi e Tibbitt hanno intrapreso, e in questa fase ci sono molte più domande che risposte. Una grande domanda è come garantire sicurezza e stabilità quando le infrastrutture sviluppano una vita propria. Un altro è come gli esseri umani e gli animali reagiranno a un ambiente ingegnerizzato costituito da organismi viventi. E cosa succede se un organismo sintetico filtra da un nuovo materiale da costruzione nelle acque circostanti? "Dobbiamo pensare alle questioni bioetiche e ai problemi di sicurezza fin dal primo giorno, "dice Tibbit.

Tali rischi presentano anche grandi opportunità:la produzione di calcestruzzo rappresenta circa l'otto per cento della CO . globale di oggi ₂ emissioni. Intere strisce di spiagge sabbiose vengono sacrificate al boom edilizio globale. Molte discariche sono traboccanti di macerie di edifici demoliti. Infrastrutture organiche con cicli di materiali chiusi, come i ponti realizzati con fibre vegetali straordinariamente robuste, offrono un'alternativa sostenibile. Se danneggiato, potevano ripararsi da soli. Alla fine della loro vita utile, potrebbero semplicemente scomporre in singoli componenti compostabili.