L’ingegneria e la fisica puntano moltissimo su microstrutture e nanostrutture con cui rendere i materiali comuni più resistenti o flessibili, più conduttivi o isolanti. E l’ispirazione ideale per queste ottimizzazioni strutturali viene dalla natura. Invece di creare complicati sistemi ad hoc, spesso poco funzionali, gli scienziati copiano di sana pianta dalle microstrutture già create dalla natura.
Bio-inspired materials: le microstrutture rubate alla natura!
La natura è un’inventrice infallibile. In milioni di anni ha affinato, tramite l’evoluzione, una tecnologia funzionale e, per più ragioni, formidabile: quella delle microstrutture biologiche che permettono la sopravvivenza di piante e animali. Basandosi su questo principio, la scienza lavora da qualche decennio ai cosiddetti bio-inspired materials.
Di cosa parliamo, in concreto? Di fibre vegetali, come il bamboo, di strutture di calcio, come le ossa, o di lamine create da particolari incastri molecolari. Esempi in base ai quali ricostruire metalli o materiali compositi dalle straordinarie capacità. Le microstrutture possono anche ispirarsi ai crostacei, com’è successo con il Mantis Shrimp, un gamberetto dalla chela velocissima e violenta. Questo crostaceo è infatti in grado di scagliare i colpi più veloci in natura. Con i suoi colpi scatena una forza di centocinquanta chili. Tutto ciò grazie alla cavitazione.
L’arte della cavitazione
La chela di questo gamberetto produce infatti vortici di acqua con dei rapidi movimenti. E i fisici sanno che aumentando la velocità di un fluido, la sua pressione cala. Con il suo colpo, poi, il crostaceo rilascia una quantità di energia talmente elevata da riscaldare l’acqua più vicina al punto dell’impatto di centinaia di gradi. Combinando alta temperatura e bassa pressione, questo guerriero subacqueo trasforma l’acqua in vapore, cioè in bolle che implodono nel punto di impatto del colpo, causando grossi danni alla vittima.
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Tanto per capirci, il crostaceo usa quest’arma per rompere i gusci delle lumache di mare e il carapace dei granchi. Ma come mai la chela che sferra il colpo non si rompe? Le osservazioni al microscopio hanno mostrato come la chela sia composta di lamine di fibre di chitina. Parliamo della stessa molecola che forma l’esoscheletro di insetti e molluschi. Ma queste fibre sono particolari: appaiono ruotate elicoidalmente. Ecco come da questo esempio gli ingegneri sono riusciti a creare microstrutture super resistenti per materiali industriali e tessili.
Lo scarafaggio diabolico
Un altro animaletto molto utile al progresso delle microstrutture è stato uno scarafaggio noto come scarafaggio corazzato diabolico. Un insetto dall’esoscheletro così resistente da permettergli di sopravvivere anche se stretto fra i denti di un predatore. Secondo le ultime ricerche lo scarafaggio in questione resiste anche se investito da un’auto. Se uno pneumatico gli passa sopra, lui non muore…
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Com’è possibile? Il segreto è l’esoscheletro formato da diverse sezioni: una elastica, in grado di contrarsi per assorbire gli urti, e una elicoidale. Due parti che si incastrano alla perfezione e garantiscono una resistenza eccezionale. Su questo modello gli scienziati hanno creato lamine stampate in 3D per la produzione di protesi mediche.
