Un team internazionale guidato da ricercatori del Technion-Israel Institute of Technology, insieme ai colleghi del Sincrotrone Europeo, Grenoble, Francia, hanno scoperto come un echinoderma chiamato Ophiocoma wendtii, conosciuta come una stella fragile, può creare materiale come il vetro temperato sott'acqua. I risultati sono pubblicati in Scienza e potrebbe aprire nuove strade di ispirazione biologica per l'indurimento della ceramica fragile in varie applicazioni che vanno dalle lenti ottiche ai turbocompressori automobilistici e persino agli impianti di biomateriali.

Centinaia di lenti focali si trovano sui bracci della stella fragile. Queste lenti, fatto di carbonato di calcio, sono potenti e precisi, e lo studio della loro struttura cristallina e su scala nanometrica ha occupato Boaz Pokroy e il suo team, dal Technion-Israel Institute of Technology, negli ultimi tre anni. Grazie alla ricerca condotta su tre linee di luce ESRF, ID22, ID13 e ID16B, tra gli altri laboratori, hanno scoperto l'esclusivo meccanismo di protezione delle lenti ad alta resistenza.

Come esempio, prendi il vetro temperato. Si produce esercitando una pressione di compressione sul vetro che lo comprime e lo lascia più compatto che allo stato naturale. La tempera del vetro viene eseguita riscaldando rapidamente e quindi raffreddando rapidamente il materiale. In questo processo, l'esterno del materiale si raffredda più rapidamente dell'interno e quindi comprime l'interno. Le lenti Ophiocoma wendtii vengono create in mare aperto, a temperatura ambiente, a differenza del vetro temperato. "Abbiamo scoperto una strategia per rendere il materiale fragile molto più durevole in condizioni naturali. Si tratta di 'ingegneria dei cristalli, " e rinvenimento senza riscaldamento e tempra, un processo che potrebbe essere molto utile nell'ingegneria dei materiali, " spiega Pokroy.

La formazione di lenti di calcite è stata scoperta grazie a una lunga serie di esperimenti presso l'ESRF, e il microscopio elettronico a trasmissione Titan al Technion. "Quando siamo arrivati ​​per la prima volta all'ESRF non ci aspettavamo che la nostra ricerca raggiungesse questi risultati, " dice Pokroy. La squadra è arrivata prima a ID22, dove hanno usato la diffrazione dei raggi X in polvere per esaminare il materiale sotto forma di polvere mentre lo riscaldava. "Abbiamo capito che avevamo nanodomini dopo questo esperimento, quindi abbiamo fatto un po' di microscopia elettronica a trasmissione a casa, poi è arrivato a ID13 per mappare i nanodomini e infine a ID16 per fare la tomografia su come le diverse particelle si dispongono in diversi strati, " Aggiunge.

I ricercatori internazionali hanno scoperto che la fase cruciale nel processo di formazione del cristallino è il passaggio dalla fase amorfa, la fase tra liquido e solido, alla fase cristallina. In questa fase, nanoparticelle di calcite, ricchi di magnesio e caratterizzati da una densità relativamente bassa, separato dal resto del materiale. La differenza di concentrazione di magnesio nelle particelle di calcite provoca vari gradi di durezza, densità, e pressione nelle diverse regioni del materiale. Le particelle ricche di magnesio premono sulla parte interna della lente mentre si cristallizza e la "temperano" in un materiale cristallino chiaro e resistente.

"La natura mostra una straordinaria creatività nel migliorare le capacità dell'organismo in vari contesti come forza, rilevamento, e autodifesa. Qui, pure, nel processo di creazione di lenti trasparenti resistenti e precise, vediamo un'enorme efficienza nell'uso delle materie prime esistenti in condizioni ambientali naturali." Gli ingegneri ora possono utilizzare questa biostrategia appena scoperta per indurire e rafforzare i materiali ceramici sintetici in varie applicazioni che vanno dalle lenti ottiche ai turbocompressori automobilistici e persino agli impianti di biomateriali.