Biomimetica e materiali

Spaghetti e polimeri...

2012-01-06T15:31:00.001-08:00

Una domanda che sembra stupida: quando buttate gli spaghetti nell'acqua, come sono? Ovviamente sono allineati, quindi ordinati nella stessa direzione (un ingegnere dei materiali direbbe unidirezionali), oltre che crudi, quindi duri. Poi col trascorrere del tempo di cottura, questo cambia, gli spaghetti "interagiscono" tra loro, le loro direzioni diventano qualunque (random, direbbe l'ingegnere dei materiali). Prima che interagiscano troppo tra di loro, incollandosi, abbiamo cura di scolarli e di servirli nel piatto. Tutti sanno quel che succede se non si rimescolano sufficientemente a lungo gli spaghetti, oppure se per esempio la pentola è troppo piccola rispetto alla loro quantità, per cui una parte di essi non cuoce bene. Quelli che non sono ben cotti restano più o meno allineati (e di solito ci guardiamo bene dal mangiarli...).
Che c'entrano i polimeri? I polimeri, come per esempio la chitina del gambero o la seta dei ragni, in natura sono termoplastici, cioè con strutture capricciose e complesse, anche per via della simmetria elicoidale di cui sappiamo, ma estremamente adattabili alle altrettanto mutevoli e capricciose necessità ambientali. Il tutto avviene, grazie ad una serie di meccanismi diversi (gli enzimi sono uno di questi) prevalentemente a temperatura ambiente. E' un po' come se gli spaghetti nascessero cotti ma freddi. Il problema è che noi, a differenza della natura, con qualcosa di così disordinato non sappiamo bene cosa farci, a meno di non scaldarlo e farlo fondere, dopo di che lo facciamo colare in uno stampo. Sapete che adesso c'è molto interesse per i polimeri biodegradabili. Il problema qual è? Che i polimeri in natura sono praticamente sempre termoplastici e quindi vanno trattati in temperatura. Ci sono settori che sono del tutto "impenetrabili" per i polimeri termoplastici, semplicemente perché bisogna fare tutto a temperatura ambiente. Per esempio la nautica, non si può certamente pensare a fare lo stampo dello scafo e metterlo in un forno o riscaldarlo in qualche modo e farci colare la resina. Così, mentre la natura lavora (bene) coi termoplastici, noi abbiamo bisogno, per usare i polimeri, e quindi sfruttare la loro leggerezza e le loro prestazioni, di avere i termoindurenti. Anche se poi è molto difficile smaltirli e degradarli. Quindi la "sfida" è oggi produrre dei polimeri biodegradabili ma termoindurenti, sfida sulla quale la natura, in apparenza, non può aiutarci. Anche se forse la cheratina... Ma ne parleremo la prossima volta.

La penna del calamaro

2011-05-29T06:37:00.001-07:00

Un esempio di come la natura ha la capacità di utilizzare sia la ridondanza, nel senso di fornire più del necessario in modo da garantire un funzionamento molto affidabile, ma con una condotta "economica", è data per esempio da quelle strutture la cui resistenza serve giusto a dare il supporto a ciò che si trova al suo esterno e non di più. Per esempio, la penna del calamaro (in figura) è fatta da un film di chitosano ad alta deacetilazione, quindi molto flessibile, con soltanto un piccolo aumento di spessore al centro, che forma il vero e proprio stelo (o rachide) della penna.
Il chitosano è un polisaccaride come la chitina, quella che forma strutture ben più rigide come l'esoscheletro dei gamberi per esempio, soltanto che eliminando i gruppi acetili, diviene molto più flessibile ed utilizzabile per stare all'interno di un corpo ad alto contenuto d'acqua, come quello del calamaro, senza impedirne i movimenti.
La cosa è suggestiva, perché la natura si serve di queste coppie di sostanze, che sono in realtà una sola, come il sistema chitina-chitosano, od anche i sistemi proteinici, come fibroina e sericina nel baco da seta. Con piccoli cambiamenti di composizione, che riguardano un unico gruppo funzionale (quindi niente additivi o indurenti, come invece avviene sempre nei polimeri di sintesi), si passa da un estremo di rigidezza strutturale ad un altro di adattabilità e flessibilità. Passaggio concettualmente semplice che, nonostante tutto, non siamo in grado di realizzare ingegneristicamente nell'ambito di un unico sistema, se non con un notevole dispendio di energia.

Agrumi, impatto e fertilità

2010-11-01T13:23:00.000-07:00

Un esempio tipico in cui avere una struttura gerarchizzata porta alla multifunzionalità è quella degli agrumi. Come tutti i frutti, la loro funzione principale è quella di proteggere il seme, quindi la discendenza. Questo avviene in certi casi con notevole ridondanza, se pensiamo a quanti semi ci sono per esempio nei mandarini: il numero medio dei semi dipende da una serie di fattori, a cominciare dal terreno in cui andranno a cadere, e quindi più in generale dalla fertilità della specie. Per migliore protezione, le sostanze nutritive di cui si serve il seme per svilupparsi sono disposte in serbatoi separati (gli spicchi) e racchiusi da un sacco flessibile ma difficilmente penetrabile, che è la placenta (il “bianco” degli agrumi). La placenta garantisce, come è anche nella gestazione umana, il collegamento sicuro ma protetto del seme con l'ambiente esterno. Poi c'è l'esocarpo (ovvero la buccia), che oltre ad avere delle proprietà anti-aderenti, dovute alle rugosità locali, ha anche una notevole resistenza ad impatto. Uno studio recente considerava le proprietà di resistenza alla caduta al suolo dei cetrangoli (in inglese “pummelos”), che sono gli agrumi più grandi che esistano in natura, come detto dal nome botanico Citrus maxima. A differenza delle strutture ingegnerizzate, la cui resistenza all'impatto non si può modificare dopo la costruzione, in quanto dipende dal materiale e dalla struttura (piena, porosa, cellulare), un agrume come il cetrangolo ha una resistenza variabile a seconda del contenuto d'acqua e di zuccheri, che cresce progressivamente, grazie al possibile scambio della buccia con l'ambiente. Quando il frutto è pronto, cade, e dato che è diventato molto più morbido di prima, l'impatto consente, nella maggior parte dei casi, il rilascio dei semi, che sono correttamente sviluppati, perché sono stati protetti fino ad allora.
Da questo vengono una serie di importanti insegnamenti: la struttura a spicchi consente nello stesso tempo protezione e comunicazione, necessaria per l'alimentazione, la resistenza della placenta è regolabile a seconda del contenuto di acqua e zuccheri (cioè del turgore dei tessuti vegetali), la buccia garantisce che tutto avvenga nel tempo giusto, quando il frutto è pronto a rilasciare i semi.

Ancora chitina...

2010-04-22T14:39:00.000-07:00

Riprendiamo il discorso dei metamateriali, cioè di quelle strutture che si comportano in modo non rispondente alla "logica". Per esempio l'opale ha a certe frequenze luminose un indice di rifrazione negativo: in pratica il raggio luminoso esce dal materiale invece di entrarvi ed esservi deviato (come se l'ombra del bastone nell'acqua flottasse nell'aria e vi venisse dispersa). Il risultato finale è un "giocare" con la luce che permette alla superficie di mostrare colori cangianti: tale effetto sfrutta la diffrazione della luce. La diffrazione è quel fenomeno che si verifica in prossimità di una fessura o di un ostacolo molto piccolo (o meglio: paragonabile alla lunghezza d'onda della luce), per cui la luce crea quel particolare effetto arcobaleno, come negli ologrammi delle carte di credito, o guardando un CD di sbieco, vicino alle tracce.
Uniamo ora un secondo discorso, che è quello della stratificazione, quindi dell'auto-assemblaggio dei materiali, come nella corazza del granchio. Qui l'esigenza di protezione si fonde con la necessità di visibilità, e la superficie mostra un colore che è dato puramente da un'interferenza costruttiva di varie onde luminose con la struttura del materiale.
La natura ha strutture perfette, che arrivano ad essere cristalli fotonici, come i frustuli delle diatomee, ma ha anche strutture stratificate, dove invece l'imperfezione (o per meglio dire la diversità) produce l'effetto. Nel caso delle elitre dei coleotteri (che sono quelle "semi-corazze" che lasciano fuori le ali) strati di chitina a diverso indice di rifrazione (che insomma deviano la luce in modo diverso) provocano quest'interferenza costruttiva, quindi quest'esaltazione del colore. Ed il mistero della natura, a pensarci, nasce proprio da questa sapiente alternanza di ordine e di disordine, oppure di perfezione e di difetti.

Metamateriali

2009-12-23T15:10:00.000-08:00

Nell'utilizzare i materiali, la natura utilizza dei concetti che in certo senso “spiazzano” la nostra conoscenza di base sul loro comportamento. Si possono eseguire delle prove per caratterizzare i materiali ed i componenti, ma ci sono alcune considerazioni generiche che si danno per scontate prima che alcuna misura sia effettuata. Sono comuni esperienze che tirando un elastico di gomma, esso si assottigli; oppure che un raggio di luce, penetrando dentro un materiale, come il vetro di una lente, od un liquido, come l'acqua, viene deviato (rifratto) all'interno del materiale stesso; o ancora, che una gocciolina d'acqua sulla superficie di un materiale assume una forma più o meno sferica, che le permetta una certa coesione con la superficie stessa, in modo da condensarvisi. Se si sa qualcosa di più sui materiali, in particolare sul loro elettromagnetismo, si ricorderanno anche altre proprietà: per esempio che in un conduttore elettrico (per esempio, il rame) o in un materiale magnetico naturale (o ferromagnetico: per esempio, il ferro), a parità di campo elettrico o magnetico applicato, quello che viene trasmesso dipende rispettivamente dalla permettività elettrica (ε, epsilon) e dalla permeabilità magnetica del materiale stesso (μ, mu).

Tuttavia, più recentemente, si è scoperto che ci sono dei materiali che hanno anche il comportamento inverso rispetto alla logica: i materiali auxetici, di cui dicevamo poco sopra, si rigonfiano se tirati; le pellicole basate sul loto hanno una tensione superficiale negativa e sono perciò autopulenti; l'opale a determinate frequenze ha un indice di rifrazione negativo, quindi significa che il raggio luminoso a certe frequenze esce dal materiale e viene respinto (con un percorso in realtà piuttosto tortuoso che lineare). Ci sono anche dei materiali come quello in figura, che hanno permettività elettrica o permeabilità magnetica negativa, sicché il campo elettrico o magnetico sono in pratica riflessi, anziché trasmessi, dal materiale. Questo è molto diverso dall'avere degli isolanti, o dielettrici, che sono soltanto dei materiali cattivi conduttori, quindi con elevate perdite (ma anche con una certa trasmissione), perché consente di avere una vera e propria schermatura totale di certe frequenze.

Queste soluzioni di design contrarie alla logica possono essere indicate genericamente come metamateriali (al di là dei materiali), il che può essere interpretato anche nel senso che dipendono dalla micro- o nanostruttura che i materiali hanno, oltre che dal materiale (è evidente che la spirale quadrata del materiale in figura è la chiave del suo funzionamento come metamateriale).

Viti, temperalapis ed eliche

2009-11-05T00:21:00.000-08:00

Una cosa che diamo per scontato è di avvitare facendo un movimento di torsione del polso. Questo accade perché le viti hanno un filetto elicoidale, ad elica cilindrica, come per esempio le viti passanti, che vengono poi fermate da un dado o da un sistema dado-rosetta, oppure ad elica conica, come le viti da legno.
Le viti hanno una storia antichissima, che comincia, si dice, con Archita di Taranto, nel IV secolo avanti Cristo, e prosegue con la vite di Archimede o coclea, che, con ben altre dimensioni ovviamente, serviva (e serve) per estrarre l'acqua, ma con principi molto simili, serve ancora per la foratura del terreno. E non è che la punta del trapano, a parte la sua maggior velocità, abbia forma diversa.
Questo fa parte di un concetto più generale, che è tipicamente biomimetico. La natura lavora auto-assemblando i materiali con strutture elicoidali, cioè a spirale (nella foto si vedono delle fibrille spiraliformi che si staccano col taglio dal tessuto vegetale del sedano), quindi la vite di Archita, dovendo forare il legno, non poteva far altro che proporre un movimento elicoidale, che si adattasse alla disposizione della microstruttura del materiale. Non è un principio poi così strano: una delle macchine primitive che tuttora utilizziamo molto, il temperalapis, è basata sullo stesso principio, quello di applicare una forza di torsione per tradurla in un taglio effettuato con una lama orizzontale (e non è un caso, perché la matita è di legno).
Nel caso del temperalapis come della vite, la forza necessaria al taglio od alla perforazione dev'essere ottimale nè troppo alta, il che danneggerebbe la struttura, né troppo bassa, nel qual caso l'operazione non riuscirebbe.

Favole, materiali e scarti

2009-10-02T15:53:00.000-07:00

Prendiamoci una pausa quasi di riposo, ma solo in apparenza: se pensate ad una favola tradizionale, come quella dei Tre Porcellini, vi rendete forse conto che parla di tre materiali da costruzione, i mattoni, quindi l'argilla, materiale ceramico, il legno, materiale composito naturale, e la paglia, materiale di scarto da qualche mietitura.
La favola, come ricordate certamente, si conclude con una patente di nobiltà data ai mattoni (e quindi al porcellino “utente”) rispetto al legno ed ancor più rispetto alla paglia. In pratica, perché c'è un significato morale in tutto questo, si premia il tempo e la fatica, che è cura ed attenzione, che porta ad usare i mattoni (che non si trovano in natura: occorre ovviamente compattare l'argilla, poi cuocerla in un forno per ceramici e farla raffreddare) invece del legno (che nemmeno si trova in natura sotto forma di assi e travi, ma va tagliato dall'albero, rimuovendo poi le parti non strutturali, come corteccia e resina, e portato in una segheria per fargli prendere la forma di semi-lavorato che si desidera: si possono anche usare tronchi interi, ma anch'essi vanno “puliti” e possibilmente trattati) e “peggio” della paglia (che invece si trova in natura, perché è uno scarto di un'altra lavorazione naturale).
Il concetto che lo scarto sia di per sé “cattivo” è un prodotto della nostra cultura industriale, che la natura non ammette. In un'ottica ambientale, il porcellino “pigro” è quello che fa la cosa giusta, cioè utilizza il materiale di scarto. Gradatamente gli ingegneri dei materiali si stanno lentamente volgendo all'utilizzo di ogni sorta di materiali di scarto per ottenere con adeguata compattazione altri materiali, per esempio ceneri di termovalorizzatori, isolanti di cavi, crusca di riso, scorze di frutta secca, ecc. Questo fa capire che anche la paglia, oltre che biodegradabile, sarebbe un materiale buono quanto i mattoni ed il legno per costruire una piccola casetta, come quella dei porcellini, ma naturalmente andrebbe in qualche modo legato, congiunto (magari compattato sotto pressione, come negli esempi precedenti). Nel caso specifico, il porcellino pigro ma proto-ambientalista sta forse per essere riscattato: all'università di Bath sta venendo su la cosiddetta Bale house, fatta di paglia e canapa, per fini sperimentali, a dimostrare che il problema non è il materiale, ma come viene assemblato. Come dice il Vangelo “La pietra scartata dai costruttori è divenuta testata d'angolo” (certo, bisogna sapere come metterla insieme al resto, quella "pietra").

Superfici regolari, superfici frattali e superfici naturali

2009-09-08T11:04:00.000-07:00

Se si guardano le strutture naturali dall'alto, in modo da averne una visione bidimensionale, ci si rende subito conto che possono avere tre diversi tipi di struttura:
1. Regolare, con simmetria poligonale, come gli esagoni dei nidi d'ape, oppure circolare, come i cerchi tutti dello stesso diametro dei frustuli delle diatomee.
Questo accade dove siano necessarie operazioni ripetitive, come l'accumulazione dei prodotti nutritivi nelle cellette, per i nidi d'ape, oppure il filtraggio della luce solare in modo da trattenere una sola frequenza, e quindi massimizzare il rendimento, come nel caso delle diatomee. A volte le due esigenze si compenetrano, e quindi si hanno doppie simmetrie sovrapposte, circolare ed esagonale, come nella diatomea in figura (a sinistra).
2. Statisticamente irregolare, come per esempio le strutture cellulari delle piante:
il parenchima, che costituisce in prevalenza la polpa di frutti e tuberi è formato da cellule poligonali con una media di 12.8 lati, il che significa in pratica che la terza dimensione comincia ad avere una sua importanza, e i "difetti" che si generano nella crescita del tessuto cellulare, man mano che interagisce con l'ambiente, vengono "corretti" con ispessimenti ed assottigliamenti delle pareti cellulari, come abbiamo già visto in precedenza in questo blog.
3. Frattali, laddove la struttura sia totalmente cristallina e quindi non tolleri nessuna pur piccola modificazione o deformazione in corso d'opera, come nel caso dei fiocchi di neve. La caratteristica della simmetria frattale è quella dell'infinita ripetizione nello spazio in tutte le direzioni, anche ad un livello nanometrico, dovuta all'elevato livello di curvatura delle superfici. E' interessante notare come in realtà le strutture frattali, come la struttura di Kagome in figura (a destra) sono sempre e comunque costituite macroscopicamente da un insieme di simmetrie semplici.
Dall'insieme di queste considerazioni, si vede come in realtà quel che accade è il graduale passaggio dalla bidimensionalità alla tridimensionalità in natura, e quindi quelle che sembrano apparentemente tre filosofie costruttive, sono in realtà la stessa: la natura passa dal piano allo spazio attraverso un'infinita serie di stadi intermedi. E, per essere più precisi, non si ferma alla tridimensionalità, ma in realtà passa anche a dimensioni successive, che possono essere infinitamente piccole (o compresse) nella forma dell'oggetto. Ma quest'inseguimento per le infinite dimensioni nanometriche di un oggetto naturale ci porterebbe forse troppo lontano (per ora).
Quel che devo notare però è che la somma di diverse simmetrie, come la circolare e la poligonale, è soltanto un diverso modo di vedere la sovrapposizione tra strutture lineari ed elicoidali, come dicevamo prima. Il risultato netto, comunque lo si interpreti, è che la natura non è spiegabile con le tre dimensioni geometriche.

Filmatino

2009-08-11T08:07:00.000-07:00

Un breve filmato di circa 3 minuti per presentare il mio lavoro, in particolare sulle proprietà
dei materiali compositi e delle fibre naturali e sulla biomimetica: scorrono un po' di immagini
variamente correlate e c'è in particolare anche il signor Triplaerre, l'omino delle fibre naturali e dell'ambiente sostenibile, che è un tentativo di divulgazione ai bambini. Non c'è commento, ma non è da escludere ne aggiunga uno in futuro.

Liscio e ruvido

2009-06-09T11:50:00.001-07:00

Da un punto di vista concettuale, le fibre naturali, siccome devono essere tessute, devono per necessità essere rese di diametro costante, in una parola “lisce”, se mi passate il termine volutamente vago. Questo si ottiene con una serie di trattamenti, spesso tutt'altro che sostenibili, come per esempio, tipicamente, a partire da quel che si faceva col cotone già dall'800, la mercerizzazione con la soda caustica. Questo si fa anche con fibre abbastanza più “dure” del cotone, essendo estratte dal fusto e non dal seme, come per esempio con la juta, come si vede in figura. Certo, le fibre “dure” presentano una serie di problematiche che il cotone per esempio non ha, a cominciare dalla fibrillazione, il distacco delle fibrille cioè, che rende in ogni caso difficile la filatura “stretta”, cioè per fare dei tessuti fitti più che delle stuoie. C'è anche un aspetto psicologico, oltre che funzionale, in tutto questo: ciò che è liscio, in quanto prodotto rifinito ed ottimale, viene considerato più di pregio di ciò che è ruvido, in quanto materia grezza, se non rozza. La natura, dato il suo modo di progettare, ha invece dimostrato a sufficienza di non essere interessata a queste nostre categorie mentali, collegate puramente col modo di funzionare del senso del tatto. Una delle prime cose che in effetti insegniamo ai bambini, magari inconsapevolmente, è l'effetto della “texture”, la sensazione di liscio o ruvido che rimane sotto i polpastrelli in un breve contatto.
Laddove c'è gerarchizzazione, c'è invece una continua strutturazione fino al livello più piccolo. La zampetta del geco non è né liscia né ruvida, tuttavia è adattabile, nel senso che è in grado di prendere la forma che, a livello nanometrico, è considerata più adeguata per aderire in modo reversibile alla superficie, e quindi di modulare in modo flessibile la forza di contatto. A quel punto il contatto prescinde da considerazioni di attrito, non potremmo mai paragonarlo, per esempio, a quei sistemi ruota-rotaia, dove lo scorrimento senza intoppi (quindi ancora una volta l'andar “liscio”) viene sempre ricercato, rispetto alla frizione e quindi alla ruvidità, attraverso l'adozione di tecniche come la smerigliatura o la lucidatura a specchio. Si potrebbe ipotizzare anzi, anche se chiaramente la misurazione della forza di adesione del geco alla superficie non è semplice, che il sistema funziona con un attrito variabile a seconda delle condizioni della superficie stessa. Più o meno quello che cerchiamo con molta difficoltà di ottenere in molti sistemi ingegneristici, come per esempio gli ammortizzatori, che hanno lo scopo di ridurre le vibrazioni dovute alle condizioni della superficie stradale. E' chiaro che se potessimo modulare la forza di contatto tra la ruota e l'asfalto, sull'esempio del geco (avremmo certo bisogno di un “pneumatico gerarchizzato”), non ci servirebbero ammortizzatori. Per ora, invece, l'unico modo che abbiamo per ridurre la forza con cui il pneumatico preme sulla strada, è rallentare.

Cellule e memoria

2009-04-04T02:57:00.000-07:00

Nel 1988 un articolo di Jacques Benveniste su “Nature” ipotizzava che esistesse una “memoria dell'acqua”, in parole povere che una sostanza disciolta e poi gradatamente diluita fino a lasciarne soltanto delle micro-tracce, fino a non essere sicuri di averne almeno una molecola nel campione di solvente, continuasse a produrre un certo effetto. In pratica, che l'acqua conservasse memoria della sostanza che vi era stata disciolta.
L'affermazione di Benveniste, a parte l'effetto di confermare la validità scientifica della pratica omeopatica, che si basa proprio su diluizioni successive, fino praticamente a zero, è stata contestata, poi in epoca più recente ripresa, parlando di nanostrutture, ed è tuttora in discussione.
Quel che è più sicuro è che i materiali reali una memoria ce l'hanno: è vero che ci sono i materiali a memoria di forma, come le leghe nichel-titanio. In esse la memoria, cioè l'effetto dell'essere già stati sollecitati, ovvero utilizzati, è evidente a causa di un cambiamento di fase che modifica radicalmente la microstruttura del metallo. In realtà, però, tutti i materiali hanno una memoria, perché quando vengono ricaricati, non si comportano mai esattamente allo stesso modo di quando sono stati sollecitati per la prima volta. Questo può dipendere dal danneggiamento, però rimane vero anche se non c'è nessun danno microscopicamente visibile.
In natura, il principio è esattamente lo stesso, in realtà: il funzionamento delle cellule, come quelle del sughero qui sopra, è basato su un principio detto tensegrity, in pratica esse sono sempre in tensione (meccanica, per effetto delle interazioni con le cellule vicine, ma anche elettrica, per effetto delle sostanze chimiche in soluzione circolanti nella cellula), ma restano integre. Questo significa che internamente esse hanno memoria delle azioni ricevute durante la loro vita attiva, tanto è vero che attivano un meccanismo di auto-riparazione (self-healing), che è in effetti ancora abbastanza utopistico pensare nel caso dei materiali creati dall'uomo. L'autoriparazione si basa innanzitutto sulla rimozione delle tensioni applicate dalla cellula, e quindi dall'isolamento delle cellule danneggiate, cosa che noi non siamo in grado di fare, per cui ogni nostra riparazione comporta la dismissione dell'oggetto da aggiustare, cosa che non accade in natura. La riparazione in servizio, ove fosse possibile anche per i materiali e le strutture create dall'uomo, comporterebbe un'enorme riduzione di costi ed anche un non indifferente beneficio ambientale.

Materiali ideali e materiali naturali

2009-03-08T01:54:00.000-08:00

Negli organismi naturali non esistono i metalli, nella forma almeno in cui li conosciamo noi, buoni conduttori della luce e del calore, adattabili (con criterio e processi opportuni) ad assumere ogni forma che desideriamo. Esistono tuttavia una notevole quantità di ossidi e sali metallici, a cominciare dalla silice, o ossido di silicio, che forma per esempio i frustuli delle diatomee, ed offre loro la struttura porosa e di perfezione fotonica, che mostravo in un post precedente; o dal carbonato di calcio, che forma per esempio gli ossi di seppia, garantendo loro, grazie alla loro struttura colonnare con celle più o meno a parallelepipedo (ma con simmetria elicoidale interna) un'assoluta impenetrabilità per l'acqua, e specialmente per il sale marino.

Questo è un concetto generale: tutto ciò che ci appare lineare in natura, è in realtà nato dalla sovrapposizione di simmetrie elicoidali, come la struttura esterna delle fibre di sedano in figura.

Però il fatto di lavorare sui metalli, dal punto di vista dell'ingegnere, ha avuto una conseguenza importante: la ricerca di un materiale ideale, identificato con l'acciaio. O per meglio dire: la convinzione che un materiale ideale, cioè omogeneo e isotropo, quiindi che si comporta allo stesso modo sotto tutte le sollecitazioni (meccaniche, termiche, elettromagnetiche) in ogni suo punto, fosse l'optimum che fosse possibile raggiungere.

In verità, si è visto poi che la natura, ma anche l'ingegneria aveva invece bisogno di sfruttare al massimo l'anisotropia dei materiali, perché le sollecitazioni sono soltanto rarissimamente uniformi (nemmeno l'applicazione del peso è quasi mai uniforme, per esempio nessuno si siede occupando esattamente tutta la seduta, né di più né di meno). E' per avere un giusto grado di anisotropia, come richiesto dalla realtà delle cose, che la natura utilizza le strutture cellulari, pian piano assemblandole.

Il clinamen ed i materiali naturali

2009-01-21T13:30:00.000-08:00

Scriveva Lucrezio Caro circa duemila anni fa "id facit exiguum clinamen principiorum/nec regione loci certa nec tempore certo", sostenendo in pratica che una piccola declinazione, o variazione, in natura, consente alla natura stessa di "funzionare". E' come dire, in buona sostanza, che la natura nel progettare si muove per variazioni infinitesime e tende a perfezionarsi: la famosa frase proverbiale del "Natura non facit saltus". E l'incertezza di tempo e di spazio vuol significare, vista col nostro occhio di studiosi dei materiali, che non si può esser mai certi di quel che la natura vuole esattamente produrre. In pratica, la natura lavora attraverso infinite varianti della stessa forma approssimativa. Questo ci insegna che non ci sono difetti, ma piuttosto micro-modificazioni infinite della stessa forma, che solo le nostre limitazioni culturali fanno percepire come anomale. Osserviamo per esempio questa micrografia che rappresenta le sezioni di diverse fibre di okra bahmia, una pianta originaria della penisola indiana e del Medio Oriente (Lady's finger in inglese): non ci sono due fibre esattamente uguali, e nemmeno ci sono due cellule esattamente uguali, però possiamo immaginare che ci si muova per infinite approssimazioni. E' per questo che le strutture naturali si descrivono meglio con la teoria dei frattali che con la geometria euclidea, che invece si adatta perfettamente a quanto è stato progettato dall'uomo. Questo dipende dalla struttura gerarchica dei materiali naturali, dove la linea retta, base della teorizzazione di Euclide, è ottenuta soltanto approssimativamente per sovrapposizione e giustapposizione di strutture a spirale e quindi, in realtà, non esiste.

La forma e la funzione...

2009-01-09T13:40:00.000-08:00

In realtà, una delle cose più difficili non è trovare la risposta in natura, ma probabilmente è capire la domanda che genera quella risposta. Il primo approccio, il più banale forse, è osservare la forma che ha un oggetto naturale, per esempio il sensore campaniforme del grillo, che si vede in figura, è un sensore di movimento (i piccoli coni sullo sfondo sono sensori chimici: la foto presa al microscopio confocale è di Emma Johnson, ricercatrice della University of Reading).
La forma dipende dalla funzione? Sicuramente sì, ma certamente in modo complesso e ancora non chiaro. A complicare le cose, ci si mette anche il fatto che alla stessa forma possono corrispondere molte funzioni, anche diverse tra loro. Anche la fibra d'ananas, mostrata in un post precedente, ha una forma piuttosto simile, inclusiva di una grande lacuna centrale. Tuttavia, le due specie non hanno nulla in comune. Questo fa capire quanto la forma possa essere ingannevole. Pian pianino, si comincia a collegare le forme vegetali con le sollecitazioni, specie meccaniche, che la pianta subisce (è una parte dello studio della morfogenesi).
Ancora però si sa poco di perché molte caratteristiche di specie animali, come appunto i sensori degli insetti, sono "progettate" in questo modo. Parlando di design, il "concept" che la natura sviluppa è ancora estremamente criptico, anche se una cosa è certa, spesso funziona in modo ottimale proprio per merito della geometria che viene adottata istintivamente, o per meglio dire per effetto dell'evoluzione.

Attacca e stacca...

2008-11-07T10:17:00.000-08:00

Un problema, nell'ambito dei materiali, è quello della giunzione. Si possono unire due pezzi con un legame molto forte, per esempio saldandoli, ma poi è difficile staccarli senza danneggiarli: detto in termini un po' più "alti", si è creata una giunzione irreversibile.
Oppure si può unirli in modo che si possano staccare senza rompersi, per esempio le buste con la striscetta di carta adesiva.

Quel che è impossibile da ottenere con l'incollaggio chimico, cioè frapponendo una sostanza tra le due superfici da far aderire, è una giunzione reversibile (cioè nella quale possiamo "cambiare idea" e staccare i due pezzi), ma nello stesso tempo abbastanza forte da reggere al peso applicato

al materiale da cui i due pezzi originari sono costituiti.

Lo sanno bene coloro che utilizzano le colle cianoacriliche: i due pezzi si possono attaccare (da cui il nome di un marchio tra i più diffusi), il processo inverso è praticamente impossibile, ed inoltre bisogna far caso a: preparazione della superficie, quantità di adesivo usato, tipi di materiali da congiungere ed in certi casi anche alla pressione applicata (a volte serve una morsa per stringere i due pezzi).

Più in generale, la natura risolve i propri problemi di giunzione ingegnosamente, per esempio le diatomee, che sono alghe monocellulari (la foto, premiata, è di Mario De Stefano), nanostrutture di silice, si collegano alle colonie di cui fanno parte in modo flessibile, attraverso cerniere molto simili alla lampo.

Materiali auxetici

2008-10-17T12:45:00.000-07:00

E' chiaro che avere a disposizione pochi materiali, in pratica due, proteine e cellulosa,
è spiazzante per l'ingegnere. Finora infatti la scienza dei materiali ha sempre modificato
i materiali per esempio con trattamenti termici, riscaldandoli cioè e raffreddandoli più o meno
velocemente, oppure inserendo altri elementi o composti, quindi modificandoli chimicamente.
La natura non si comporta in questo modo, anzi ripete in modo ossessivo sempre la stessa struttura
cellulare, modificandola per micro-variazioni o per approssimazioni.
Questo permette alla natura di fornire ai materiali delle proprietà inedite, per esempio i materiali possono essere auxetici, cioè aumentare la loro sezione (allargarsi) quando vengono sollecitati a trazione (cioè tirati).
Sembra una curiosità, ma il fatto che la pelle di alcuni rettili, come le salamandre, sia auxetica, permette dei movimenti bruschi ed improvvisi senza cedere di schianto. Ed al fatto che la pelle dei serpenti sia auxetica è dovuta una loro proprietà caratteristica (ed un po' paurosa in verità) come la macrofagia (inghiottire bocconi molto grossi aprendo all'improvviso la bocca...).
Dal punto di vista strutturale, non è un materiale specifico ad essere auxetico, ma (in potenza)
tutti i materiali cellulari possono essere auxetici, basta che abbiano le cellule non esagonali, come quelle a sinistra in figura, o di altre forme più complesse, per esempio tetradecagonali (a 14 lati), ma della forma che vedete in figura a destra, a "farfallino".
E' questo è solo l'inizio della storia, perché le applicazioni dei materiali auxetici sono soltanto ipotizzate per ora in ingegneria, naturalmente ci rivolgeremo alla natura per avere delle altre idee.

Altri materiali naturali...

2008-08-04T01:46:00.000-07:00

Non è detto che si debba per forza lavorare soltanto con le fibre vegetali, nel futuro.
Ci sono alternative, che in effetti si stanno valutando, per esempio i complessi di proteine e polisaccaridi, quindi molecole derivate dagli aminoacidi e dagli zuccheri,
che formano gli esoscheletri, o se preferite corazze, di certi insetti (grilli) o di certi
crostacei (granchi, gamberi).
Queste corazze sono costituite da questi complessi di materiali, perché devono essere più resistenti che flessibili, in quanto l'animale
abbandona lo scheletro per svilupparsi da uno stadio all'altro.
I residui di chitina lasciati dai crostacei nell'oceano costituiscono una parte
delle sostanze nutritive presenti nell'ambiente oceanico: sono rifiuti, ma biodegradabili
e rientrano nel ciclo alimentare.
Oggi si incomincia a pensare di inglobare questi materiali biodegradabili in altre
sostanze. Qui sotto per esempio ecco dei whiskers (ovvero materiali allungati
e resistenti come baffi di gatto) di chitina ottenuta da un granchio, inglobati in gomma naturale.

Tessuti e piante

2008-05-24T14:59:00.000-07:00

Le piante sono costituite da diversi tipi di tessuto, come dicevo,
e questo permette loro di modulare la resistenza meccanica come
richiesto. Invece, la biomimetica intende oggi riferirsi
a diverse piante, come per esempio l'Arundo Donax (canna comune),
per copiarne la struttura e fondere diversi aspetti, le simmetrie
elicoidali con quelle lineari, ed inoltre sfruttare, come e dove possibile,
le rotture di simmetria, per compensare i difetti, come fa la natura.
Lungi dallo riuscirci, per ora ci accontentiamo di cercare di trovare
dei motivi unificanti nella "progettazione in natura".
In parole povere, cerchiamo di capirla, in modo tale che l'imitazione
non divenga soltanto formale. Tentativi del genere sono gli
"steli tecnici" (technical plant stems), che cercano di riprodurre
le caratteristiche principali delle strutture vegetali.
Certamente, le strutture sono difficilmente modellizzabili, per esempio
questa fibra ottenuta dalla foglia d'ananas è molto diversa da quella,
mostrata in precedenza, del sedano, il che evidentemente
risponde alla diversa funzione dei due tessuti.

Leggerezza...

2008-04-12T13:51:00.001-07:00

Un'altra delle ossessioni dell'ingegnere è quella della rigidezza, per cui
un materiale come quello visto qui sopra risulta nulla o poco
interessante. Eppure esiste, è un tessuto di kapok (Ceiba Pentandra),
una pianta delle Malvacee. Non è solo quasi invisibile, come dalla foto,
ma pesa pochissimo, ha una densità di circa 0.35 g/cmq.
Ecco, la cosa curiosa è che, più si utilizzano le fibre naturali,
più si dovrebbe progettare in modo diverso, lasciando, chissà, la struttura
assemblarsi da sé, secondo le proprie esigenze, come accade in natura.
E modificarsi da sé, secondo le esigenze del proprio "servizio" alla comunità.
Immaginare un palazzo che si modifichi, non a prezzo di enormi ristrutturazioni,
ma con semplici cambiamenti modulari, e specialmente reversibili,
può sembrare un sogno, ma ha un notevole interesse per quel che sarà
il mestiere del progettista nel futuro. Ed ancora una volta la natura, in questo,
ci ha preceduto.

Fibre naturali e mentalità dell'ingegnere

2008-03-22T15:03:00.000-07:00

Le fibre naturali stanno tornando, quindi, ma c'è qualche problema:
uno è la nostra mentalità di ingegneri, abituati a progettare con materiali
non naturali, e quindi con proprietà (speriamo) costanti e uniformi,
e con geometrie semplici (semplici, perché le abbiamo volute così).
Anche quando si utilizzano materiali naturali, come nel caso del legno, lo si forma
in assi, travi e così via.
In realtà, la geometria semplice non esiste in natura. La natura utilizza forme
complesse, spirali in particolare od ancora più complesse (la doppia elica del DNA ne è un buon esempio).
Certo, possiamo far finta di niente e progettare i materiali, per esempio i compositi fibra-resina,
come abbiamo sempre fatto: per esempio qui accanto è un esempio di un provino unidirezionale (con fibre tutte nella stessa direzione) in fibra di kenaf, un tipo di ibisco, e resina epossidica. Sembra molto simile ad un materiale artificiale, come la vetroresina, ma in realtà, pensando alla struttura cellulare delle fibre vegetali, la forzatura è evidente.

Fibre naturali

2008-03-06T12:52:00.000-08:00

Parlando di materiali naturali, le fibre estratte dalle piante hanno proprietà meccaniche molto interessanti, specie alcune, come le fibre di Lino della Nuova Zelanda (Phormium Tenax) che vedete in fotografia, inoltre sono biodegradabili.
Purtroppo, non si usano ancora molto nei materiali, nonostante ci sia molta ricerca, specie negli ultimi anni. Cominciamo, tanto per diradare un po' la nebbia intorno alle fibre vegetali di interesse per i nuovi materiali, a nominarne qualcuna: juta (Corchorus Capsularis), lino (Linum Usitatissimum), canapa (Cannabis Sativa), sisal (Agave Sisalana), cocco (Cocos Nucifera)... e si potrebbe continuare.
Le fibre si estraggono dal fusto della pianta, come nella juta, dalle foglie, come nell'agave, dal frutto, come nel cocco, o dal seme, come nella palma di Betel (Areca Catechu) (e nel cotone, peraltro).
Per diradare ancora un po' la nebbia, la FAO ha indetto per il 2009 l'anno mondiale delle fibre naturali. E' quindi il caso di cominciare a prepararsi.

Benvenuti!

2008-03-05T00:06:00.001-08:00

Ciao!
Questo blog si occupa di biomimetica, specialmente in relazione ai materiali.
Cos'è la biomimetica? E' l'ispirazione dalla natura ad idee dall'ingegneria, che ha portato ad alcune applicazioni di successo, come il Velcro, il sistema di chiusura ispirato agli "uncini" presenti sul fiore della bardana (Arctium lappa), ed il Lotusan, pellicola per superfici autopulenti, ispirata alle foglie del loto (Nelumbo nucifera) ed al loro modo di liberarsi dell'acqua piovana durante i monsoni.
Su Internet c'è già tanto sulla biomimetica, ma prevalentemente in inglese.
Parlando di biomimetica, è inevitabile parlare di materiali: semplificando molto le cose, la natura utilizza in pratica due soli materiali, la cellulosa e la proteine, ma ottiene degli effetti stupefacenti,
come potete vedere dalle geometrie di questa fibra di sedano sulla destra con le sue cellule allungate (il cuore della fibra è fatto da un tipo di tessuto naturale di supporto che si chiama collenchima). E non è solo una questione di fascino geometrico, c'è di meglio e di più: cioè che le creazioni della natura funzionano.

Mi sono forse dimenticato di presentarmi. Ebbene, per maggiori informazioni su di me, puoi andare alla mia homepage (in Inglese). La sostanza è che mi occupo di ricerca sui nuovi materiali da molti anni.
Questo vorrebbe essere un blog divulgativo, con post brevi e che spero creino un po' di curiosità intorno alla questione della bio-ispirazione.