BIomimetica e stampa 3d dai gamberetti arcobaleno nuovi materiali iper forti

Dalla progettazione di velivoli ad ala tandem migliori e dalle attrezzature di rilevamento delle bombe migliorate per rendere l’ elettronica più leggera e  aiutare i paraplegici e gli amputati , le persone si sono rivolte alla natura innumerevoli volte per risolvere i propri problemi – con l’ aiuto della stampa 3D , naturalmente.

L’imitazione di soluzioni già presenti in natura per lo sviluppo di soluzioni umane sostenibili si chiama biomimetica e un problema che i ricercatori spesso tentano di risolvere con questa pratica – rivolgendosi a ricci , aragoste e persino conchiglie e squame di pesce- è il miglioramento delle attrezzature protettive.

Due anni fa, un team collaborativo di ricercatori della  Purdue University  e della  University of California, Riverside, ha pubblicato una ricerca che copre il loro uso della stampa 3D per sviluppare materiali super-forti ispirati ai gamberetti di color arcobaleno e ha recentemente pubblicato due nuovi articoli su il loro lavoro. Il loro lavoro è finanziato dall’Ufficio aeronautico statunitense di ricerca scientifica, dall’iniziativa di ricerca multiuniversitaria e dal premio CARRIERA della National Science Foundation.

Non lasciatevi ingannare dalle sue dimensioni: questa piccola creatura può dare un grosso pugno, grazie alla sua dattilo appendice. Questa appendice simile a un pugno può scatenare colpi a velocità circa della velocità di un proiettile calibro 22, che aiuta a sconfiggere la preda come molluschi e granchi.

La regione di impatto della struttura del club resistente agli urti è costituita da fosfato di calcio cristallino, che circonda le sue fibre di chitina in una struttura a spina di pesce unica che protegge , oltre a dare più slancio all’impatto.

Nel 2016, il team stava lavorando per sviluppare materiali che usassero sia la struttura a spina di pesce resistente ai colpi del dactyl sia il rivestimento protettivo esterno per possedere un equipaggiamento protettivo più forte. All’epoca, la struttura a spina di pesce non era mai stata osservata in natura … il che non è più il caso.

Pablo Zavattieri , professore della Scuola di Ingegneria Civile di Purdue’s Lyles, ha dichiarato: “Tuttavia, stiamo vedendo questo stesso tipo di strategia di progettazione non solo nei gamberi di mantide, ma anche in molti animali. Gli scarafaggi lo usano nei loro gusci, ad esempio, e lo vediamo anche in squame di pesce, aragoste e granchi. ”
Il gamberetto di mantide conquista la sua preda con un’appendice da dattilo, costituita da un materiale composito che diventa più duro con le torsioni delle fessure.
Le ultime scoperte del team mostrano che il design esclusivo a spina di pesce impedisce effettivamente il cedimento causando incrinature nel seguire i modelli di fibra a chitina torsione. Il materiale composito del club impedisce alle torsioni di torsioni, in quanto diventa più difficile quando ciò si verifica. Le fibre del materiale, che sono disposte in un’architettura elicoidale simile a una scala a chiocciola, guidano la torsione – questo è ciò che rende il modello specifico così duro. Quando le fessure si formano, seguono lo schema di torsione, invece di diffondersi direttamente, il che si tradurrebbe in un fallimento.

“Questo meccanismo non è mai stato studiato in dettaglio prima. Quello che stiamo scoprendo è che come una fessura della crepa la forza trainante per far crescere la crepa diminuisce progressivamente, promuovendo la formazione di altri meccanismi simili, che impediscono al materiale di crollare catastroficamente “, ha spiegato Zavattieri. “Penso che possiamo finalmente spiegare perché il materiale è così duro.

“La novità di questo lavoro è che, dal punto di vista teorico, abbiamo sviluppato un nuovo modello, e sul versante sperimentale abbiamo usato materiali consolidati per creare compositi che convalidano questa teoria”.
L’architettura elicoidale del club dei dattili dei gamberetti di mantide è naturalmente progettata per sopravvivere a ripetuti colpi ad alta velocità.
Studente di dottorato di Purdue Nobphadon Suksangpanya, studente di dottorato di Riverside Riverside Nicholas A. Yaraghi, professore di ingegneria ambientale e scienze e ingegneria dei materiali UC David Kisailus e Zavattieri hanno appena pubblicato due articoli sul Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials e International Journal of Solids and Structures sul loro affascinante lavoro.

Kisailus ha dichiarato: “Questo nuovo entusiasmante lavoro analitico, computazionale e sperimentale, che fa seguito alla nostra caratterizzazione iniziale dell’elicoide all’interno del club dei gamberetti di mantide e del lavoro composito biomimetico, offre una visione più profonda dei meccanismi di rafforzamento all’interno di questa struttura unica. ”
Precedenti ricercatori hanno scoperto che l’architettura elicoidale del club dei dattili era specificamente progettata per sopravvivere a continui colpi ad alta velocità. Ora, nuove immagini dal microscopio elettronico di UC Riverside mostrano che si formeranno numerose crepe, che dissipano l’energia che il materiale assorbe all’impatto.

Il team Purdue-UC Riverside ha creato e testato materiali compositi stampati in 3D che sono stati modellati in base a questo comportamento. Sono stati persino in grado di utilizzare le telecamere e le tecniche di correlazione delle immagini digitali per catturare questo comportamento di cracking unico al fine di studiare la deformazione del materiale.

I ricercatori hanno modellato materiali compositi stampati in 3D dopo le crepe di torcitura responsabili della forza del club dei dattili dei gamberetti di mantide.
Zavattieri ha dichiarato: “Stiamo creando nuovi meccanismi che prima non erano disponibili per i compositi. Tradizionalmente, quando produciamo materiali compositi, mettiamo insieme le fibre in modi non ottimali e la natura ci insegna come dovremmo farlo “.
John L. Bray di Purdue, illustre professore di ingegneria, Byron Pipes, ha anche contribuito a creare alcuni materiali compositi rinforzati con fibre di vetro che incorporavano il comportamento. Questa ricerca può aiutare nello sviluppo di materiali più resistenti e più leggeri per una serie di applicazioni, come sport, automotive e aerospaziale.

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