Stampando in 3D scaffold e immergendoli nel succo di microbi, gli scienziati realizzano strutture robuste che un giorno potrebbero portare a strade che crescono da sole.
PER GLI UMANI, Il gambero mantide è noto come “spaccalegna”, a causa della sua propensione a prendere a pugni le dita degli sfortunati pescatori. Per la sua preda sul fondo del mare, il gambero mantide è noto come “morte incarnata”: i galli dei crostacei ripiegano le sue due appendici simili a martelli sotto la sua faccia, rilasciandoli con una tale forza che cancellano i gusci di vongole , uno dei materiali più resistenti in natura . Il gambero mantide si diverte ancora di più con i granchi, soffiando strategicamente prima gli artigli in modo che la preda non possa difendersi.
Tutto quel pestaggio mette seriamente sotto stress i martelli stessi. Quindi, per affrontare i continui pugni, l’evoluzione ha dato al materiale di queste armi una forma “bouligand”. Invece degli strati di materiale che si impilano ordinatamente uno sull’altro, gli strati sono attorcigliati, quasi come la struttura elicoidale del DNA. Quindi, quando il martello di un gambero mantide colpisce un pollice o una vongola o la faccia di un granchio, qualsiasi crepa nella sua struttura si propagherà in uno schema a torsione, dissipando l’energia attraverso il materiale. Di conseguenza, il martello non si spezza a metà.
Perfetto , hanno detto gli ingegneri dell’Università della California meridionale e dell’Università della California, Irvine, che hanno inventato un tipo intelligente di materiale basato sui bastoncini di clobber dei gamberetti. (Se sei uno per la terminologia formale, si chiamano dattili.) È una svolta nella svolta: sono stati in grado di far crescere i minerali all’interno di una struttura Bouligand ispirata ai gamberetti stampata in 3D con l’aiuto di batteri, di tutte le cose.
I ricercatori hanno iniziato stampando in 3D una semplice struttura reticolare, fondamentalmente una griglia, da un polimero. Come puoi vedere nell’immagine sopra, l’impalcatura risultante aveva molto spazio vuoto all’interno: pensala come se fosse come le travi che supportano un edificio. Hanno quindi immerso l’intera struttura in una soluzione batterica e lasciata riposare per 12-24 ore. I batteri Sporosarcina pasteurii nella soluzione si sono attaccati al reticolo polimerico e hanno iniziato a secernere un enzima chiamato ureasi.
Quando i ricercatori hanno immerso la struttura in un secondo bagno di urea e ioni di calcio, l’ureasi ha dato il via a una reazione chimica che ha creato il carbonato di calcio. Questo è lo stesso materiale che conferisce al guscio di una vongola, così come alle tue stesse ossa e ai tuoi denti, la loro forza. È anche un componente del martello della mantide. In laboratorio, mentre i ricercatori lasciavano l’impalcatura nella soluzione, il carbonato di calcio ha continuato ad accumularsi, riempiendo completamente il reticolo entro 10 giorni e fornendo ai ricercatori un materiale super resistente costituito da uno scheletro di polimero e interiora minerali. Puoi vedere lo stato di avanzamento della struttura nell’immagine sopra.
I ricercatori sono stati in grado di stampare in 3D reticoli con una varietà di forme interne, dai modelli di onde alle croci, come mostrato nelle immagini sopra. La riga C mostra dove il minerale ha riempito gli spazi vuoti nello scheletro del polimero. Nelle immagini colorate della riga D, puoi vedere che i depositi di carbonato di calcio hanno un punteggio elevato in termini di rigidità (indicata in rosso), mentre il reticolo è più basso (mostrato in blu e verde).
Ma ciò che i ricercatori cercavano davvero era la struttura Bouligand, che conferisce al martello della mantide la sua resistenza. Nell’immagine sotto, ci sono quattro diversi tipi di reticoli. L’immagine A mostra l’aspetto di quelle strutture stampate in 3D, con il Tipo I che è solo una pila lineare di materiale, mentre il Tipo IV è la struttura Bouligand: ogni strato si sposta di 45 gradi, creando una sorta di vortice. Nella riga C, le immagini mostrano le bande scure di polimero riempito con carbonato di calcio bianco. Il tipo I è organizzato come i corridoi del negozio di alimentari, mentre il tipo IV sembra più caotico.
Un bel tipo di caotico, guarda caso. Quando i ricercatori hanno testato la resistenza di ciascun reticolo, la struttura Bouligand di tipo IV ha assorbito 20 volte più energia del tipo I. “Questo tipo di microstruttura assicura che questo tipo di composito sia molto resistente”, afferma l’ingegnere della University of Southern California Qiming Wang , coautore di un nuovo documento che descrive i risultati sulla rivista Advanced Materials . “Quando si ha una crepa, quella crepa si propagherà nel modello di torsione per dissipare l’energia all’interno del materiale.” In effetti, il materiale assorbe più energia della madreperla naturale (madreperla), che conferisce ad alcune conchiglie la loro forza, e batte anche i materiali artificiali esistenti, affermano Wang ei suoi colleghi.
Proprio come il martello del gambero mantide assorbe l’energia dei suoi pugni senza rompersi, così anche i materiali potrebbero essere sviluppati con questo nuovo metodo. Per potenziali usi, Wang dice di pensare all’armatura per il corpo, che ha bisogno di dissipare l’energia di un proiettile. Il carbonato di calcio è anche abbastanza leggero, quindi gli scienziati potrebbero anche essere in grado di far crescere pannelli più resistenti per aerei o persino pelli per robot , dice Wang.
“Questo è, per me, un modo per produrre in futuro, e non sono l’unico a dirlo”, dice l’ingegnere civile della Purdue University Pablo Zavattieri, che non era coinvolto in questa ricerca. Nella produzione tradizionale, i difetti possono intrufolarsi. La natura, d’altra parte, ha sviluppato, nel corso di milioni di anni, la meravigliosa struttura Bouligand nel martello della mantide, ed è un modello che può essere replicato con un semplice reticolo e un bagno batterico. “La natura è, in questo modo, impeccabile”, dice Zavattieri. “La natura è una stampante 3D.”
Un’altra cosa che rende speciale questo materiale costituito da batteri è la sua capacità di rigenerarsi. Tipo, e se invece di costruire strade, le coltivassimo ? “Se abbiamo un danno, introduci semplicemente i batteri all’interno e possono ricrescere”, dice Wang. “Queste strutture sono molto resistenti, molto resistenti e possono potenzialmente ripararsi da sole”.
I ricercatori non sono ancora arrivati al punto: hanno fatto in modo che i batteri coltivassero minerali in condizioni controllate in laboratorio, e anche allora solo in piccole quantità. L’aumento di scala per la costruzione di strade comporterebbe ulteriori sfide ingegneristiche; per esempio, ottenere il giusto rapporto tra impalcatura di supporto e materiale indurente. Ma Zavattieri sta già lavorando alla stampa 3D del calcestruzzo. “Non penso che sia super folle”, dice. “Possiamo fare in modo che i robot stampino il classico scaffold, lascino lì i batteri e poi lascino crescere il materiale per 10 giorni”.
