La natura ha un grande vantaggio su qualsiasi gruppo di ricerca umano:un sacco di tempo. Miliardi di anni, infatti. E per tutto quel tempo, ha prodotto dei materiali davvero sorprendenti, utilizzando deboli elementi costitutivi che gli ingegneri umani non hanno ancora capito come utilizzare per applicazioni high-tech, e con molte proprietà che gli umani devono ancora trovare il modo di duplicare.

Ma ora un certo numero di ricercatori come il professore del MIT Markus Buehler hanno iniziato a svelare questi processi a un livello profondo, non solo scoprire come si comportano i materiali, ma quali sono le caratteristiche strutturali e chimiche essenziali che conferiscono loro proprietà uniche. Nel futuro, sperano di imitare quelle strutture in modi che producono risultati ancora migliori.

Tutto si riduce all'assemblaggio di strutture complesse da piccole, semplici blocchi da costruzione, Buehler spiega. Gli piace usare un'analogia musicale:una sinfonia comprende molti strumenti diversi, ognuno dei quali da solo non potrebbe mai produrre qualcosa di così grandioso e complesso come i ricchi messi insieme, esperienza musicale completa. In un modo simile, spera di costruire materiali complessi con proprietà precedentemente non disponibili utilizzando semplici blocchi da costruzione assemblati in modi che prendono in prestito da quelli usati dalla natura.

ingegneri umani, lui spiega, hanno almeno un importante vantaggio sulla natura:possono scegliere i loro materiali. Natura, al contrario, spesso deve accontentarsi di tutto ciò che è prontamente disponibile a livello locale, e qualunque struttura sia stata creata attraverso i lunghi tentativi ed errori dell'evoluzione. “Un ragno o una cellula, "Buehler dice, “non ha grandi risorse. Non può importare materiali, usa ciò che è disponibile.”

In materiali biologici come la seta di ragno, la geometria delle strutture fa la differenza. Seta, oggetto di studi precedenti di Buehler e dei suoi colleghi, è costituito da molecole che sono, in se stessi, intrinsecamente debole, ma le molecole di base a forma di disco sono combinate in piccole pile, che a loro volta sono combinati in fibre reticolate in un modo che rende il tutto molto più forte delle sue parti componenti. Gli ingegneri potrebbero imparare una o due cose da tali strutture, Buehler suggerisce, con le loro diverse disposizioni a diverse scale. “Se scopriamo come progettare le cose su più scale, non abbiamo bisogno di fantasiosi blocchi da costruzione, "dice.

Peter Fratzl, uno scienziato dei materiali presso il Max Planck Institute of Colloids and Interfaces in Germania, vede grandi promesse in questo approccio. “Non è tanto la composizione chimica che conta davvero, ma il modo in cui i componenti (che possono essere intrinsecamente poveri) sono uniti insieme, "dice. “Svelare questi principi strutturali richiede approcci sperimentali e teorici che coprano molte scale di lunghezza, dalla dimensione delle molecole agli organi completi.” Finora, la ricerca è stata principalmente sul lato teorico, ma Buehler e altri sperano di procedere anche con il lavoro sperimentale.

Questo approccio progettuale non solo mantiene la promessa di creare materiali con grandi qualità di resistenza, o elasticità, o con utili proprietà ottiche o elettriche, ma anche per l'utilizzo di materiali ormai ritenuti di scarsa utilità, o anche prodotti di scarto.

Strutture gerarchiche

La chiave per realizzare materiali resistenti con componenti deboli, Buehler ha trovato, sta nel modo in cui i piccoli pezzi sono disposti in modelli più grandi in modi diversi su scale diverse - in altre parole, in un insieme gerarchico di strutture. “Questo paradigma, la formazione di una struttura distinta a più scale di lunghezza, consente ai materiali biologici di superare le debolezze intrinseche degli elementi costitutivi, ” ha scritto in un articolo apparso questo mese sulla rivista Nano oggi .

La maggior parte dei materiali strutturali progettati da persone, d'altra parte - acciaio, mattoni, malta - hanno strutture semplici che non variano con la scala, sebbene alcuni materiali compositi e strutture costruite da componenti come i nanotubi di carbonio stiano iniziando a implementare almeno una differenziazione della struttura con la scala. Ma Buehler vede questa come un'area matura per nuovi progetti molto più sofisticati e complessi.

Buehler suggerisce che proprio come ha fatto la biologia, gli esseri umani potrebbero progettare materiali con proprietà desiderate come resistenza o flessibilità utilizzando materiali abbondanti ed economici come silice, che in forma sfusa è fragile e debole. “La progettazione di strutture gerarchiche potrebbe essere la chiave per superare la loro intrinseca debolezza o fragilità, proprietà che attualmente impediscono la loro diffusa applicazione tecnologica, ” ha scritto sul giornale Nano Today. Utilizzando strutture progettate in modo intelligente, egli propone, gli esseri umani dovrebbero essere in grado di produrre materiali con quasi tutti i tipi di proprietà desiderate, anche utilizzando un numero molto limitato, e insieme "quasi arbitrario" di componenti.

“Stiamo cercando di sviluppare modelli al computer, "dice, “in modo che possiamo fare previsioni” sulle proprietà dei materiali costruiti in modi che non sono mai stati fatti prima. “Come ingegneri, abbiamo modelli per come fare un'auto, o un edificio, "dice. Ma per progettare le strutture di base di nuovi materiali, la tecnologia oggi "è davvero in una fase infantile." Ma man mano che tali modelli vengono sviluppati, dice sicuro, "possiamo fare molto meglio della biologia."