Quando il design si ispira alla natura

Dalla combinazione tra natura e tecnologia arriva l’ispirazione per migliorare in ottica sostenibile il design, grazie alla creazione di materiali più resistenti, che possono dunque incidere su una maggior durata degli oggetti e quindi diminuire il consumo di materiali per la riparazione o la sostituzione e più in generale i rifiuti, riducendo così le emissioni correlate di anidride carbonica.

Del resto è quello che fanno gli esseri viventi. “Tutti loro mostrano una serie di strategie specializzate per affrontare le forze esterne spendendo la minor quantità di energia possibile: ecco perché c’è molto da imparare dalla natura, mentre cerchiamo di sviluppare materiali più resistenti e duraturi”, afferma il dottor Israel Greenfeld, ingegnere aeronautico, un campo in cui l’efficienza è fondamentale, e autore dello studio “Uncrackable: Scorpions and Sponges Inspire Sustainable Design”, realizzato per scoprire materiali alternativi con proprietà meccaniche potenziate.

Gli esempi in natura in cui materiali semplici sono arrangiati tra loro per creare architetture complesse che ne migliorano le caratteristiche sono tantissimi, a saperli cercare. Per farlo, i ricercatori del Weizmann Institute of Science di Rehovot, in Israele, si sono guardati intorno e hanno preso ispirazione al loro habitat naturale e alle creature che ci vivono: gli scorpioni. Creature super resistenti che, secondo i ricercatori israeliani, hanno molto da insegnarci.

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La natura come fonte di ispirazione

“Nel mondo naturale, i materiali si sono evoluti nel corso di milioni di anni, in ambienti spesso caratterizzati da risorse limitate e condizioni difficili”, spiega Daniel Wagner, professore del dipartimento di Chimica molecolare e Scienza dei materiali del Weizmann Institute, che da anni studia la micromeccanica dei materiali biologici e dei nanomateriali creati dall’uomo ed è l’altro autore della ricerca. “Il nostro punto di partenza è stata l’intuizione che le strutture biologiche che ci circondano – alberi, piante, ossa, scheletri di vari organismi – si sono evolute in un modo che è, per definizione, sostenibile”.

I tentativi degli esseri umani di potenziare una proprietà vantaggiosa di un materiale, invece, tendono a farlo a discapito di un altro suo attributo. La maggiore resistenza, ad esempio, comporta in genere un aumento del peso o una diminuzione della flessibilità. “La natura, a quanto pare, trova modi sorprendenti per ottimizzare l’equilibrio”, aggiunge Greenfeld. Un esempio di questa capacità di ottimizzazione, riscontrata in varie sostanze organiche resistenti, è la struttura laminata. Si tratta di materiali composti da sostanze diverse stratificate o intrecciate tra loro, che riescono a garantire resistenza e resilienza pur mantenendo altre proprietà come la leggerezza e la flessibilità.

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Scorpioni e spugne: perché sono interessanti

Nello studio, Wagner e Greenfeld hanno esaminato due strutture laminate che mostrano un eccezionale grado di resistenza: il guscio esterno, o cuticola, di uno scorpione e lo scheletro interno di una spugna marina. I ricercatori hanno scoperto che il segreto della loro resilienza risiede nella gradazione, una strategia che raramente si trova nei materiali prodotti dall’uomo e basata su un cambiamento graduale delle proprietà da uno strato all’altro.

In entrambe le creature, i diversi strati variano in spessore e, nel carapace dello scorpione, diminuiscono anche in rigidità dall’esterno verso l’interno, in modo che la parte esterna sia più resistente di quella interna. Wagner e Greenfeld hanno contato otto strati nella complessa corazza dello scorpione. Questa caratteristica di organizzazione a strati serve a favorire il compromesso tra proprietà contrastanti, aiutandoli a resistere agli stress di diversa natura a cui sono sottoposti. Per questo motivo il guscio dello scorpione e lo scheletro della spugna, pur essendo duri e forti, sono particolarmente efficaci nel resistere alle crepe.

Il principio alla base è il solito, nonostante differiscono in termini di composizione chimica e struttura: la deviazione della frattura. Ciò significa che in entrambi gli organismi le crepe vengono attenuate deviando il loro percorso. Non appena una crepa inizia a emergere nel materiale, viene “incoraggiata” dalla struttura graduata a cambiare direzione e a correre parallelamente alla superficie, piuttosto che andare in profondità, dove probabilmente causerebbe danni strutturali più massicci e potenzialmente la morte della creatura.

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Superare la natura: nuovi utilizzi per questa struttura

Per avere un’idea di quanto sia efficiente la struttura laminata della corazza degli scorpioni o lo scheletro delle spugne, i ricercatori hanno dimostrato con i modelli della meccanica della frattura che, senza la gradazione, per ottenere le stesse proprietà, sarebbe stato necessario utilizzare componenti più spessi, aumentando quindi il peso. I ricercatori non si sono fermati qui. La cosa più interessante, a livello di ricerca futura, è che la gradazione può essere utilizzata nei materiali creati dall’uomo e ispirati alla natura anche in altri modi.

“Per gli esseri umani, questo tipo di progettazione è innovativo”, ha commentato Greenfeld. “Le strutture biologiche vengono create dal basso verso l’alto – da minuscoli blocchi di costruzione nanometrici, a strutture microscopiche, fino a strutture sempre più grandi – mentre in ingegneria di solito non si parte dal livello molecolare”.

Tuttavia, mentre la struttura dello scorpione è particolarmente complessa, altre microstrutture naturali, come quella della spugna marina, possono essere più facilmente applicate in ingegneria. Nello scheletro della spugna, per esempio, oltre alla gradazione, le crepe sono rallentate o fermate dal fatto che gli strati fragili sono intervallati da minuscole quantità di strati più morbidi. “È fondamentalmente una ceramica fatta di silice: non il tipo di materiale che di solito ci si aspetta mostri una forte resistenza alla frattura”, spiega Wagner. La natura è sempre pronta a sorprendere, è il caso di dirlo.

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