Le ossa umane d’ispirazione per rinforzare l’acciaio

Si può migliorare la resistenza dell’acciaio ispirandosi alla struttura delle ossa umane? Ci è riuscito un team di ricercatori internazionali, che spera di aumentare la durabilità e la sicurezza dei nostri edifici.

L’acciaio è uno degli elementi più importanti delle moderne costruzioni, ma come qualsiasi materiale, si usura con il passare del tempo. Nel lungo periodo, gli stress, generati dal calore, dal sostegno dei carichi e dalla pressione, formano microfessure che portano a delle rotture.

Rendendo l’acciaio più resistente a questi stress, si aumenterebbe la durata e la sicurezza degli edifici. I ricercatori e gli ingegneri si sono rivolti alla natura per ispirarsi da un materiale che supporta stress costanti senza rompersi: le ossa umane.

Hanno così ottenuto una nuova lega, super-resistente all’usura. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science.

CREATO PER RESISTERE

Un osso non è un blocco omogeneo, è composto da fibre di collagene e strati inorganici come calcio e fosfato. Al microscopio, un osso può assomigliare ad una spugna.

Il tessuto osseo che circonda tutti questi spazi è disposto in strati lamellari. Come gli anelli concentrici visibili in una sezione di albero, queste sono formate dalla graduale insorgenza di fibre di collagene e minerali durante la crescita dell’osso.

sezione-osso

Le ossa sono composti da fibre di collagene e strati inorganici. Le fibre di collagene che compongono ciascuno di questi strati sono disposti in direzione opposta rispetto all’altro. Questo groviglio fornisce all’osso molta più resistenza contro la torsione o le faglie rispetto a un materiale solido.

Questa struttura consente anche di dissipare rapidamente l’energia di una fessura in tutte le direzioni, rendendo più difficile il suo avanzamento.

DALL’OSSO ALL’ACCIAIO

Queste qualità sono molto interessanti per i materiali da costruzione. Prendendo le ossa come modello, i ricercatori sono riusciti a combinare tutte queste proprietà in una singola lega, che lo rende molto più forte rispetto all’acciaio tradizionale.

Esistono già diversi tipi di acciai che possiedono alcune di queste proprietà. Alcuni sono nanolamellari, organizzati in vari strati di centinaia di nanometri di spessore. Molti altri sono multifase, una lega in cui i metalli che la compongono non hanno tutti la stessa rigidità, che aiuta ad evitare microfessure. Tuttavia l’acciaio in questo studio è il primo a combinare diverse di queste proprietà in una singola lega.

Durante gli stress-test, dove si applicano dei cicli di pressione e di tensione sul metallo, i ricercatori hanno constatato che una lega convenzionale manifesta faglie microscopiche dopo 10.000-100.000 cicli ripetuti.

Quando hanno imitato la struttura dell’osso, il nuovo acciaio ha subito 10 milioni di cicli prima di iniziare a mostrare gli stessi difetti. Inoltre, anche quando compaiono microfessure, si diffondono molto più lentamente, perché l’energia viene dissipata più velocemente.

Resta ora da capire se questa tecnologia potrà spostarsi dal laboratorio all’industria siderurgica. Nel frattempo, molti altri metalli d’uso industriale potranno essere migliorati per aumentare la resistenza, seguendo lo stesso procedimento.

Ancora oggi, la natura resta il miglior ingegnere!

fonte: Manuguerra Renaud-Gagné

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