Tough Composites Inspired by Mineralized Natural Materials: Computation, 3D printing, and Testing
Leon S. Dimas, Graham H. Bratzel, Ido Eylon, Markus J. Buehler.
Department of Civil and Environmental Engineering, MIT, Cambridge
La ricerca di materiali innovativi che permettano di ottenere caratteristiche di leggerezza, durata e sostenibilità ambientale si sta ispirando sempre più al mondo dei compositi naturali, come ad esempio le ossa. L’osso è un materiale complesso, resistente a carichi elevati e contemporaneamente poco fragile, a causa della sua struttura composta da collagene (soffice) e idrossiapatite (minerale, rigido) organizzata in sistemi complessi e gerarchici che cambiano a seconda della scala a cui si osserva il materiale.
Ricercatori del MIT hanno sviluppato un approccio ispirato alla struttura ossea, che evita le tipiche difficoltà incontrate nella creazione di strutture complesse: tramite un procedimento di stampa 3D molto preciso, polimeri rigidi e soffici vanno a costituire schemi geometrici molto complessi, ottimizzati al calcolatore per ottenere una resistenza alla frattura fino a 22 volte maggiore rispetto ai materiali base.
Le strutture geometriche utilizzate sono basate appunto su quelle osservate nel tessuto osseo umano, in grado di dissipare energia su aree più grandi e dirigere le fratture attraverso percorsi complessi e meno critici per la struttura. Alcune strutture differenti sono state simulate tramite codici numerici e confrontate con gli esperimenti, per validare le proprietà previste.
I ricercatori hanno realizzato tre diversi tipi di struttura: una struttura a mattoncini in cui la calce è elastica e i mattoni rigidi; una struttura inversa che simula la calcite, con celle rigide che contengono polimero più elastico, e un pattern a diamanti simile alla pelle di serpente. Tutti i materiali hanno mostrato ottime caratteristiche di resistenza alla frattura, e la tecnica di stampa 3D è risultata fattibile per la produzione di compositi ad alta tenacità. Con un’adeguata economia di scala questa tecnologia permetterà di ottenere strutture dalla forma complessa e dall’elevata resistenza, oltre a mantenere leggerezza e sicurezza elevata.
