(PhysOrg.com) -- In natura, la forza della madreperla è una chiave di sopravvivenza per alcuni crostacei. Ora una squadra guidata da Xiaodong Li, un professore di ingegneria presso l'Università della Carolina del Sud, ha posto una spiegazione per l'insolita resilienza che questo importante scudo difensivo mostra di fronte agli attacchi predatori. Date le elaborate strutture su scala nanometrica che la biologia incorpora naturalmente nella madreperla, il team di ricerca ritiene che i risultati potrebbero servire come modello per la progettazione di nuovi materiali resistenti in laboratorio.
“Da molto tempo, pensavamo di aver capito come funzionano questi biomateriali su scala nanometrica, ma si scopre che ne sappiamo solo un po', "disse Li, il cui team ha pubblicato i risultati in un articolo appena pubblicato sulla nuova rivista di Nature Publishing, Rapporti scientifici .
Madreperla, chiamata anche madreperla, costituisce il rivestimento interno del guscio delle cozze perlate e di alcuni altri molluschi. Le perle stesse sono fatte di madreperla, che è un nanomateriale composito costruito dalla biomacchina dei crostacei. Minuscoli granelli cristallini di carbonato di calcio sono disposti in modo regolare, modello intricato e legati insieme da biopolimeri nella struttura della madreperla, che aggiunge un'enorme quantità di stabilità al materiale:è circa 1000 volte più resistente alla fessurazione da impatto rispetto alla forma cristallina di carbonato di calcio (il minerale aragonite) che costituisce la maggior parte della madreperla.
Infatti, il carbonato di calcio da solo è forse meglio conosciuto come gesso per lavagna; la sua tendenza a sgretolarsi mina ogni idea che sarebbe servito come mezzo efficace per fermare un proiettile. Eppure la natura organizza una complessa struttura simile a mattoni e malta - con i mattoni di carbonato di calcio che misurano nell'intervallo dei nanometri - per creare un materiale incredibilmente duro, molto più forte della somma delle sue parti. La qualità scintillante della madreperla è un sottoprodotto di questa struttura, perché la luce visibile che riflette ha lunghezze d'onda di dimensioni simili ai mattoni in nanoscala al suo interno.
La forza della madreperla sotto pressione, Li ha spiegato, è insolito e in qualche modo contro l'intuizione. Quando viene schiacciato rapidamente (caricamento dinamico), resiste a una pressione molto maggiore rispetto a quando viene schiacciato lentamente (carico statico). “Questa è una caratteristica dei materiali naturali con architetture di nanoparticelle, "disse Li, “Quasi nessuna ceramica artificiale ha questa proprietà, che sarebbe prezioso in applicazioni come giubbotti antiproiettile, quindi capire come funziona è molto importante.”
L'aumento della forza della madreperla di fronte alla rapida pressione è nota da 10 anni, ma le ragioni alla base sono rimaste poco chiare. Quindi il team di Li ha cercato di capire il meccanismo concentrandosi sulla struttura della madreperla su scala nanometrica. Hanno tagliato con precisione campioni di madreperla dall'abalone rosso della California e li hanno sottoposti a carichi sia dinamici che statici. La madreperla che è stata spremuta rapidamente - il test balistico, in un certo senso, opponete più del doppio della resistenza prima di fratturarvi rispetto a quella ottenuta lentamente. Poi Li e collaboratori, che includeva ricercatori della USC e collaboratori dell'Università della Carolina del Nord a Charlotte, ha utilizzato la microscopia elettronica a trasmissione per affrontare i dettagli della frattura a livello di nanoscala.
I loro risultati sono stati del tutto inaspettati. In condizioni balistiche a compressione rapida, le particelle su scala nanometrica lavorano insieme per limitare l'instabilità del materiale. I ricercatori hanno concluso che il gemellaggio delle deformazioni, un processo riscontrato in alcuni metalli e un particolare indicatore di forza a fronte di sollecitazioni, entra in gioco con le particelle nanometriche di carbonato di calcio. Ma questo meccanismo era evidente solo con condizioni balistiche, non sotto l'applicazione più lenta della pressione. Il team di Li ha anche concluso che le dislocazioni parziali all'interno della nanostruttura conferiscono ulteriore forza al materiale, ma di nuovo, si è verificato solo in condizioni balistiche.
Di fronte a un corto, potente spinta di un predatore - un'attività contro la quale i molluschi hanno impiegato milioni di anni per difendersi - i mattoni nanostrutturali nella struttura complessiva della madreperla lavorano insieme per assorbire l'impatto e massimizzare la resistenza. Lo stress viene prima assorbito e dissipato all'interno della nanostruttura stessa prima che il materiale stesso venga sopraffatto e si frattura.
Ora che la squadra di Li ha chiarito i mezzi per rafforzare le difese della madreperla, gli ingegneri possono provare ad applicare le lezioni ai materiali sintetici. “Il vero obiettivo è riuscire a progettare questi materiali, " ha detto Li. “Comprendere il meccanismo è il primo passo per fare, come solo un esempio, migliori materiali a prova di proiettile.”
