Come la natura può ispirare un design più circolare
Il connubio tra natura e tecnologia sta rivoluzionando sempre più il modo di fare un design circolare e sostenibile. Creare oggetti più resistenti, durevoli, riparabili e riciclabili può ridurre significativamente il consumo di risorse e la produzione di rifiuti, con il risultato che si tagliano efficientemente le emissioni di anidride carbonica.
In effetti, molte delle soluzioni più circolari sono ispirate ai meccanismi che regolano il mondo della natura. Sistemi che nel corso di milioni di anni hanno sempre cercato di sviluppare modi per ottimizzare l’uso delle risorse e adattarsi a condizioni difficili.
La natura, infatti, è capace di raggiungere una resilienza straordinaria con il minimo dispendio di risorse. Un approccio sempre più utilizzato da ricercatori come Israel Greenfeld e Daniel Wagner del Weizmann Institute of Science di Rehovot, in Israele.
La legge del guscio dello scorpione
Nello studio “Uncrackable: Scorpions and Sponges Inspire Sustainable Design” i due ricercatori hanno provato a scoprire materiali alternativi con proprietà meccaniche potenziate partendo dalla guscio dello scorpione e lo scheletro della spugna marina. Questi materiali naturali sono un perfetto esempio di come la disposizione stratificata di diverse sostanze può migliorare le caratteristiche fisiche di un materiale. Si tratta di organismi che hanno sviluppato un tipo di solidità che sfrutta l’uso di strutture laminate: composte da diversi strati che conferiscono resistenza pur mantenendo altre qualità come la flessibilità e la leggerezza.
La gradazione, cioè un cambiamento graduale delle proprietà da uno strato all’altro, permette di distribuire e attenuare gli urti, evitando che una crepa o una frattura si propaghino in profondità, preservando l’integrità del materiale.
Un aspetto fondamentale che i ricercatori hanno scoperto riguarda proprio la gradazione della rigidità degli strati nei materiali naturali. In entrambe le creature, i diversi strati variano in spessore e, nel guscio dello scorpione, diminuiscono anche in rigidità dall’esterno verso l’interno, in modo che la parte esterna sia più resistente di quella interna.
Secondo la ricerca di Wagner e Greenfeld esistono 8 strati nella complessa corazza dello scorpione. Questa caratteristica di organizzazione a strati serve a favorire il compromesso tra proprietà contrastanti, aiutandoli a resistere agli stress di diversa natura a cui sono sottoposti. Per questo motivo il guscio dello scorpione, oltre a essere duro e forte, è in grado di resistere efficacemente alle crepe.
Il principio alla base è denominato “deviazione della frattura”. Ciò significa che in entrambi gli organismi le crepe vengono attenuate deviando il loro percorso. Non appena una crepa inizia a emergere nel materiale, viene “incoraggiata” dalla struttura graduata a cambiare direzione e a correre parallelamente alla superficie, piuttosto che andare in profondità, dove probabilmente causerebbe danni strutturali più massicci e potenzialmente la morte della creatura.
Creare materiale imparando dalla natura
La scoperta più affascinante degli autori dello studio consiste nel fatto che la gradazione potrebbe essere applicata anche ai materiali creati dall’uomo, migliorando la loro resistenza senza aumentare il peso.
Questa tecnica potrebbe rappresentare una vera rivoluzione nell’ingegneria dei materiali, creando prodotti che siano al contempo leggeri, resistenti e più sostenibili.
Greenfield ha sottolineato come la progettazione basata su strutture biologiche rappresenti un grande passo avanti. A differenza dell’ingegneria tradizionale, che tende a partire da un design macroscopico e a ridurre il materiale in base alla forza richiesta, la natura costruisce partendo dal livello molecolare, creando strutture complesse a partire da componenti nanometrici.
Questo approccio “dal basso verso l’alto” potrebbe offrire una nuova prospettiva nel design dei materiali, aprendo la strada a soluzioni più efficienti ed ecologiche.
Nel complesso, lo studio condotto dai ricercatori del Weizmann Institute ha messo in evidenza il potenziale enorme di applicare le tecniche naturali di costruzione dei materiali a livello industriale. Le scoperte sugli scorpioni e le spugne marine sono solo l’inizio, ma le proprietà di questi materiali potrebbero rivoluzionare numerosi settori, dalla costruzione di prodotti di consumo alla realizzazione di componenti strutturali in ambito aerospaziale e ingegneristico.
February 3, 2025 at 07:53PM
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Simone Fant