Materiale forte e leggero ispirato dalla natura per aerei, edifici e impianti ossei Il materiale proveniente da un laboratorio di ricerca di Princeton è pieno di buchi, ma questa è una buona cosa. Progettati per imitare l’osso, il legno e altri materiali naturali, gli oggetti porosi sono più leggeri dei prodotti tradizionali e possono essere inseriti strategicamente in strutture per fornire una maggiore rigidità in aree ad alta richiesta.
Queste strutture porose, create dai ricercatori della Princeton University e della Georgia Tech, sono caratterizzate da microstrutture spinodali: reti di fori appositamente progettati che possono essere regolati per ottenere un comportamento ottimizzato su macroscala. In un nuovo studio , pubblicato online il 16 marzo sulla rivista Advanced Materials, il team ha combinato diverse realizzazioni di queste microstrutture spinodali per progettare e prototipare impianti facciali per la chirurgia ricostruttiva e parti rigide e leggere per aerei.
Davide Bigoni , professore di meccanica solida e strutturale all’Università di Trento che non è stato coinvolto nella ricerca, ha definito i risultati una “svolta”. Ha detto che “gli autori hanno trovato un modo intelligente per consentire una transizione continua tra zone con architetture diverse. Questo è il concetto ultimo di biomimica, poiché tutte le strutture naturali formano sistemi continui. Questo è un fatto noto fin dai tempi antichi: ‘natura non facit saltus’: la natura non fa salti”.
Molti materiali naturali, tra cui ossa, corna di animali, legno e scheletri di dollari di sabbia, sono pieni di buchi. Gli spazi vuoti rendono i materiali leggeri e, in alcuni casi, consentono ai fluidi corporei di muoversi attraverso i pori. Nelle ossa, questi spazi consentono un processo di rimodellamento che rende l’osso più o meno denso in risposta alle esigenze fisiche. La creazione di materiali sintetici con proprietà simili è stata una sfida per gli ingegneri.
Nel nuovo studio, i ricercatori hanno imitato questi materiali naturali progettando microstrutture con fori di diverse dimensioni, forme e orientamenti. I nuovi oggetti sono noti come materiali architettonici , che hanno prestazioni personalizzabili in base alla relazione tra materiale e geometria. I fori possono essere a forma di sfere (come quelle degli scheletri di dollari di sabbia), diamanti (osso), colonne (legno) o lenticchie (corno). I ricercatori potrebbero conferire rigidità al materiale in diverse direzioni variando la forma. Hanno controllato la densità del materiale modificando le dimensioni dei fori e alterato l’orientamento dei fori all’interno di un oggetto per aumentare la rigidità nelle regioni sotto sforzo.
“Hai la struttura reale e la microstruttura che lavorano insieme per ottenere prestazioni superiori”, ha affermato Fernando Vasconcelos da Senhora, uno studente laureato alla Georgia Tech e primo autore del nuovo studio.
Per dimostrare i potenziali usi, i ricercatori hanno progettato e stampato in 3D un impianto facciale, come il tipo usato per riparare una grave lesione facciale da un incidente d’auto. Attualmente, i chirurghi utilizzano plastica o titanio per creare impianti porosi che consentono all’osso di ricrescere attraverso i fori, ma questi impianti non hanno la stessa accordabilità ottenibile con le architetture spinodali. I ricercatori hanno combinato sezioni con fori a forma di colonna e lenticchia per creare un impianto sufficientemente rigido da resistere alle forze della masticazione e con fori delle giuste dimensioni per promuovere la crescita e la guarigione delle ossa. L’impianto prototipo era realizzato con una resina fotopolimerica, ma poteva essere stampato in 3D utilizzando materiali biocompatibili per un uso futuro nei pazienti.
I ricercatori hanno affermato che la tecnica apre le porte alla creazione di impianti con molti tipi diversi di materiale perché la combinazione di geometria e materiale consente ai progettisti di ottimizzare le prestazioni.
“Non è il materiale di base che è migliore. Sono le caratteristiche della microscala che sono migliori”, ha affermato Emily Sanders, coautrice e assistente professore di ingegneria meccanica alla Georgia Tech. “In teoria, potremmo realizzare le impalcature con qualsiasi materiale: la cosa più appropriata sarebbe esplorare materiali biocompatibili”.
Per mostrare un uso completamente diverso, i ricercatori hanno combinato tre tipi di microstrutture per costruire un supporto per motore a reazione, una parte fondamentale di un aeromobile, che tiene il motore in posizione e deve essere sia forte che leggero.
“Abbiamo una tecnica piuttosto potente, nel senso che combina architetture dei materiali con l’ottimizzazione a diverse scale e la sua integrazione con la produzione additiva”, ha affermato Glaucio Paulino , Margareta E. Augustine Professore di Ingegneria e ricercatore principale del progetto. “Può avere un’ampia gamma di applicazioni nel senso che è scalabile, quindi può essere applicato in nano e microtecnologia, così come a meso e macroscala”.
Un aspetto chiave del successo dei materiali sono le transizioni senza soluzione di continuità da un tipo di microstruttura all’altro all’interno dello stesso oggetto. Il passaggio brusco tra le microstrutture senza collegare la rete di pori provocherebbe la spaccatura del materiale lungo le cuciture. I materiali realizzati con microstrutture spinodali hanno anche meno probabilità di avere punti deboli perché i fori si verificano casualmente, invece che secondo schemi regolari.
“Una parte importante è stata capire come sfruttare la piattaforma di produzione e [elaborare] matematicamente la struttura di questi materiali progettati e quindi collegare i due insieme in modo da poter effettivamente fabbricare qualcosa”, ha affermato Sanders.
Il team sta già esplorando ulteriori usi per le microstrutture. Attualmente, la tecnologia è allo stadio di prototipo, ma sono ansiosi di testare le proprietà dei materiali in modo più completo. “Sono interessato a comprendere le domande fondamentali su come si comportano questi materiali progettati”, ha affermato Sanders.
L’articolo di ricerca, Optimally-Tailored Spinodal Architected Materials for Multiscale Design and Manufacturing , è stato in parte sostenuto da finanziamenti della National Science Foundation.
