Madreperla artificiale personalizzata

La madreperla naturale, come quella formata dalle conchiglie, è uno dei materiali naturali più duri, stabili e rigidi e i ricercatori ne sono sempre stati affascinati. La struttura della madreperla non è nemmeno così complessa: al microscopio elettronico appare come un muro di mattoni in miniatura le cui giunture sono riempite di malta. I mattoni sono piccole lastre di calcare impilate l'una sull'altra e collegate da un ponte. La malta è una sostanza organica.

I ricercatori dell'ETH del Complex Materials Group, guidati da André Studart, stanno studiando e imitando questa struttura. Gli scienziati dei materiali utilizzano un processo speciale che hanno sviluppato per produrre questi materiali simili alla madreperla.

Al posto delle piastrine di calce, utilizzano piastrine di ossido di alluminio disponibili in commercio, delle dimensioni di qualche decina di micrometri, con una resina epossidica che funge da sigillante per i giunti. In un campo magnetico rotante, i ricercatori allineano le piastrine magnetizzate distribuite in una soluzione acquosa in una direzione desiderata e, sotto alta pressione e a temperature di circa 1000 gradi Celsius, solidificano il materiale con l'aggiunta della resina. Si ottiene così un materiale composito con una microstruttura simile a quella della madreperla naturale.

I ponti di ossido metallico rinforzano il materiale

Per rendere la madreperla artificiale ancora più stabile e dura, il team ha utilizzato nuove piastrine di ossido di alluminio rivestite di ossido di titanio. A circa 800 gradi Celsius, sulla superficie delle piastrine si formano goccioline di ossido di titanio che maturano in ponti di collegamento minerale, rafforzando così l'intera struttura. "Questi ponti hanno un'influenza significativa sulla resistenza del materiale", spiega Kunal Masania, coautore di uno studio appena pubblicato sulla rivista scientifica pagina esternaPNAS è stato pubblicato.

La densità di questi ponti di titanio può essere regolata con precisione a una certa pressione e temperatura per creare madreperla artificiale con le proprietà desiderate, come una certa rigidità, resistenza e tenacità alla frattura. Utilizzando un modello e degli esperimenti, i ricercatori hanno calcolato quali condizioni di pressione e temperatura favoriscono lo sviluppo delle rispettive proprietà, che sono paragonabili alla rigidità dei compositi in fibra di carbonio. Il team è riuscito a realizzare un nuovo record mondiale nella combinazione di rigidità, durezza e resistenza alla frattura in questa classe di materiali bio-ispirati.

La nuova tecnologia può essere utilizzata per produrre materiali simili alla madreperla con proprietà personalizzate per le rispettive applicazioni. Le possibili applicazioni includono la costruzione di aerei, il settore aerospaziale e l'edilizia.