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- Posted By: Capuano Edoardo
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Questo studio mostra che pile co-orientate cristallograficamente di piastrine di aragonite, sia nella madreperla colonnare che in quella a foglio, definiscono un altro livello gerarchico che contribuisce all'irrigidimento della madreperla.
La madreperla, il materiale iridescente che riveste i gusci dei molluschi come la madreperla e l'abalone, è stata a lungo una preziosa scoperta di appassionati e collezionisti di conchiglie, grazie alla bellezza naturale e alla varietà di colori che vi si possono trovare. Ma anche scienziati e ingegneri si stupiscono e studiano a lungo la madreperla; è un materiale duro e resistente, composto da strati alternati di piastrine di aragonite e film a base di proteine organiche.
Il mondo naturale contiene molti materiali che si sono evoluti nel tempo per ottimizzare resistenza, durata e prestazioni. I ricercatori e gli ingegneri cercano di sviluppare materiali da costruzione migliori e più sostenibili ispirandosi sempre più nella natura.
La composizione fisica della madreperla gli consente di resistere a notevoli quantità di pressione e danni lungo le piastrine senza causare gravi deterioramenti in tutto il guscio. Alcuni hanno supposto che più sia in gioco delle singole piastrine che consente loro una forza e una durata così straordinarie, ma i ricercatori non hanno avuto gli strumenti e i processi per studiare approfonditamente nella relazione tra l'orientamento del cristallo e le proprietà meccaniche - fino ad ora.
Negli ultimi due decenni, i gusci sono stati tipicamente testati per la loro resistenza utilizzando tecniche come il test di flessione macroscopico, micro- / nano-rientranza e microscopio a forza atomica. Ora, l'assistente professore di ingegneria civile e ambientale del MIT, il dottor Admir Masic, (1) lo studente laureato Hyun-Chae “Chad” Loh e altri cinque collaboratori hanno combinato la microscopia elettronica a scansione e la microindentazione con la spettroscopia Raman e hanno sviluppato un potente metodo di caratterizzazione chemio-meccanica: stensione dimensionale e mappatura deformazione attraverso una tecnica nota come piezo-Raman.
«Abbiamo sviluppato una metodologia per estrarre importanti informazioni chemio-meccaniche da un sistema biologico che è molto ben conosciuto e studiato», spiega il dotto Admir Masic, i cui risultati sono stati recentemente pubblicati su Communications Materials. (2) «La correlazione tra microindentazione e i risultati piezo-Raman ci ha permesso di valutare e quantificare la quantità di stress dissipata attraverso la struttura gerarchica».
Il nuovo approccio per quantificare le prestazioni meccaniche del materiale è sufficiente per essere una grande novità di per sé, ma durante il processo, il dottor Masic e altri ricercatori - a cui attribuisce gran parte del lavoro in questo sforzo di collaborazione - sono rimasti sorpresi dai risultati.
«Per prima cosa abbiamo applicato questi strumenti per studiare il meccanismo di indurimento in una scala di pochi micron. Tuttavia, abbiamo notato che la dissipazione di energia non era limitata alla struttura in mattoni e malta, ma interessava un'area molto più ampia di quanto ci aspettassimo. Abbiamo ampliato il nostro ambito di studio su una scala più ampia e abbiamo scoperto questo nuovo meccanismo di indurimento correlato a una mesostruttura su una scala di 20 micron», afferma il dottor Hyun-Chae “Chad” Loh. (3) Ciò che i ricercatori hanno scoperto è che le pile di piastrine di aragonite co-orientate costituiscono un altro livello gerarchico di struttura, che indurisce il materiale quando viene sollecitato.
Il Raman polarizzato, un'altra tecnica utilizzata in questo studio, ha aiutato il team a osservare quello che è noto come l'orientamento cristallografico dei mattoni di aragonite. Attraverso lo studio dei modelli di orientamento, i ricercatori hanno compreso la scala di lunghezza caratteristica delle cataste di aragonite e metterla in relazione con i modelli di propagazione delle fessure. Le crepe si sono propagate tra le cataste di aragonite, dimostrando il loro contributo meccanico alla robustezza della madreperla.
«Questo ci ha dato un'opportunità per spiegare potenzialmente cosa sta causando questo irrigidimento su scale più grandi. Le disposizioni sistematiche dei cristalli possono essere trovate all'interno di altri materiali biominerali, come i nostri denti, e la microstruttura dei materiali ha un impatto diretto sulla loro funzione». dice Masic.
Imitare materiali naturali come la madreperla è stata una strategia popolare per la progettazione di nuovi materiali. La piccola scala delle loro strutture, tuttavia, rappresenta una sfida per la replica e la produzione delle morfologie naturali. «Con la nostra scoperta, proponiamo una nuova strategia di biomimetica per simulare la struttura della madreperla su una scala di 10 micron o più grande, invece del livello nano». dice Masic.
È una notizia entusiasmante per i ricercatori che stanno esplorando nuove possibilità per i materiali sintetici ispirati al design naturale.
Questa ricerca è stata finanziata, in parte, dalla Kwanjeong Educational Foundation.
Riferimenti:
(1) Admir Masic
(2) Nacre toughening due to cooperative plastic deformation of stacks of co-oriented aragonite platelets
Descrizione foto: Lo strato esterno di una conchiglia di abalone, visto qui, viene lucidato fino a quando lo strato madreperlaceo è esposto. I ricercatori del MIT hanno correlato i risultati di microindentazione e piezo-Raman per valutare e quantificare la quantità di stress dissipata attraverso la struttura gerarchica del materiale. - Credit: Foto per gentile concessione dei ricercatori.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Technique reveals deeper insights into the makeup of nacre, a natural material