Le spine dei ricci di mare sono costituite principalmente da calcite, ma le spine sono molto più resistenti di questa sola materia prima. La ragione della loro forza è il modo in cui la natura ottimizza i materiali utilizzando un'architettura in stile muro di mattoni. Un team di ricerca guidato dal professor Helmut Cölfen ha sintetizzato con successo il cemento a livello nanometrico secondo questo principio del "mattone e malta". Durante questo processo, sono state individuate macromolecole che assumono la funzione di malta, fissando i blocchi cristallini l'uno all'altro su nanoscala, con i blocchi che si assemblano in modo ordinato. L'obiettivo è rendere il cemento più resistente. I risultati dello studio sono pubblicati nel numero del 1 dicembre 2017 di Progressi scientifici .

"Il nostro cemento, che è significativamente più resistente alla frattura di tutto ciò che è stato sviluppato finora, ci offre possibilità di costruzione completamente nuove, " dice Cölfen. Un pilastro fatto di questo cemento potrebbe essere costruito 8, 000 metri di altezza, o dieci volte più alto dell'attuale edificio più alto del mondo, prima che il materiale alla sua base venisse distrutto dal suo peso. Acciaio normale, che ha un valore di 250 megapascal, potrebbe raggiungere solo 3, 000 metri di altezza.

Nella nanoscienza, L'architettura in stile muro di mattoni può essere paragonata al lavoro di un muratore:ogni strato di mattoni posato è tenuto in posizione da malta. Il principio guida è quello di stratificare duro, poi morbido, duro, poi materiali morbidi. Questo è esattamente il principio che la natura usa per rendere le spine dei ricci di mare così resistenti. Quando la forza viene applicata alla calcite fragile, il suo blocco cristallino si incrina, però, l'energia viene poi trasferita ad uno strato morbido disordinato. Poiché questo materiale non ha piani di scollatura da strappare, impedisce ulteriori fessurazioni. Una sezione sottile della spina dorsale del riccio di mare rivela questo principio strutturale:i blocchi cristallini in una struttura ordinata sono circondati da un'area amorfa più morbida. Nel caso del riccio di mare, questo materiale è carbonato di calcio.

I gusci o le ossa delle cozze sono costruiti più o meno allo stesso modo. "Il nostro obiettivo è imparare dalla natura, " afferma Helmut Cölfen. Il ricercatore è stato premiato numerose volte per i suoi risultati pionieristici nel campo della cristallizzazione, insieme a, Per esempio, il Premio dell'Accademia 2013 dell'Accademia delle scienze e delle scienze umane di Berlino-Brandeburgo. La bionica o biomimetica è il termine usato per impiegare i fenomeni naturali per ispirare gli sviluppi tecnici.

Il cemento stesso ha una struttura disordinata:ogni componente si attacca a tutti gli altri. Ciò significa che, affinché il cemento possa veramente trarre vantaggio dalla maggiore stabilità fornita dalla costruzione in mattoni e malta, la sua struttura dovrà essere riorganizzata a livello nano. Helmut Cölfen descrive il processo come "codifica della resistenza alla frattura a livello nanometrico". In questo caso, significa identificare un materiale che si leghi solo con nanoparticelle di cemento e nient'altro nel cemento. Sono state identificate circa dieci combinazioni di peptidi con carica negativa che aderiscono e legano bene i materiali.

In collaborazione con l'Università di Stoccarda, il team è stato in grado di utilizzare un raggio ionico al microscopio elettronico per tagliare una microstruttura a forma di barra dal cemento nanostrutturato di tre micrometri. Questa microstruttura è stata poi piegata utilizzando un micromanipolatore. Non appena è stato rilasciato, la microstruttura è tornata nella sua posizione originale. I valori meccanici potrebbero essere calcolati in base alla deformazione elastica della microstruttura. Sulla base di questi calcoli, il cemento ottimizzato ha raggiunto un valore di 200 megapascal. In confronto:gusci di cozze, che sono il gold standard nella resistenza alla frattura, raggiungere un valore di 210 megapascal, che è solo leggermente più alto. Il calcestruzzo comunemente usato oggi ha un valore da due a cinque megapascal.

Vedi le spine dei ricci e i gusci di cozze sono fatti di calcite, perché nell'acqua sono disponibili grandi quantità di calcio. Helmut Cölfen spiega:"Le persone hanno materiali da costruzione molto migliori della calcite. Se riusciamo a progettare le strutture dei materiali e a riprodurre i progetti della natura, saremo anche in grado di produrre materiali molto più resistenti alla frattura, materiali ad alte prestazioni ispirati alla natura".