Pochi materiali compositi forgiati dalla natura sono così resistenti come la madreperla, o nacre. Ora, gli scienziati hanno finalmente capito come i minuscoli strati di questa sostanza perlescente la rendano così forte.
La madreperla si trova sui rivestimenti esterni delle perle e all’interno di alcune conchiglie di molluschi, ma fino ad ora gli scienziati non avevano capito come funziona su scala nanometrica, perché questo rivestimento è altamente resistente allo stress e alla tensione.
Il segreto della durezza della madreperla sta nel modo in cui la superficie a piastrelle del materiale si blocca insieme quando viene sottoposto a stress, consentendogli di distribuire lo sforzo. Quando la superficie non è più sotto pressione, si rilassa di nuovo in piastrelle individuali.
Questo potrebbe a sua volta aiutarci a sviluppare materiali super-forti, prendendo ispirazione dai migliori materiali che la natura ha da offrire.
“È incredibile che un mollusco, che non è la creatura più intelligente, stia fabbricando così tante strutture su così tante scale”, dice lo scienziato dei materiali Robert Hovden dell’Università del Michigan.
“Sta fabbricando singole molecole di carbonato di calcio, organizzandole in fogli nano-stratificati che sono incollati insieme con materiale organico, fino alla struttura del guscio, che combina la madreperla con diversi altri materiali.”
Nel lavoro precedente, gli scienziati avevano già identificato la struttura ‘mattone-e-mortaio’ della madreperla – pastiglie di dimensioni nano di aragonite incollate insieme con materiale organico, che assomigliano proprio a un muro di mattoni se ci si avvicina abbastanza.
Quello che questa nuova ricerca mostra è quella reazione sotto pressione, ottenuta attraverso osservazioni al microscopio elettronico. La ‘malta’ si schiaccia da parte sotto pressione, poi ritorna quando la pressione viene alleggerita.
Sorprendentemente, e insolitamente, la madreperla non perde nessuna delle sue resistenze attraverso questo processo. I test hanno mostrato che i suoi livelli di resilienza non sono diminuiti, anche sotto ripetuti impatti fino all’80% del suo carico di snervamento.
Se la superficie dovesse sviluppare una crepa, la madreperla è in grado di isolare il nano-tablet dove si verifica la crepa, in modo da non influenzare il resto della superficie.
Nella dichiarazione stampa, i ricercatori ritengono che la madreperla sia “il materiale più duro della natura”. Naturalmente, questo dipende da come si vuole misurare la suddetta “durezza”; per esempio, sulla scala di durezza Mohs, la perla ottiene la valutazione abbastanza umile di circa 2,5, ma questo significa solo che può essere facilmente graffiata con qualsiasi minerale più duro.
Se parliamo di forza di un materiale, ci sono altri aspetti – quanto peso un materiale può portare, quanta pressione può sopportare, e così via – dai denti di patella alla seta di ragno, ci sono altri materiali naturali che sono immensamente forti; la madreperla può sostenere impatti meccanici davvero impressionanti, quindi si guadagna la reputazione di durezza.
Ora gli scienziati dietro lo studio vogliono usare le loro scoperte per sviluppare materiali più forti fatti dall’uomo – non calcolati attraverso simulazioni al computer o algoritmi, ma ispirati da milioni di anni di evoluzione naturale.
“Noi umani possiamo fare materiali più resistenti usando ambienti innaturali, per esempio calore e pressione estremi”, dice Hovden. “Ma non possiamo replicare il tipo di nano-ingegneria che i molluschi hanno raggiunto.”
“Combinare i due approcci potrebbe portare a una nuova spettacolare generazione di materiali, e questo articolo è un passo in quella direzione.”
La ricerca è stata pubblicata su Nature Communications.