Ilaria Rosella Pagliaro Ispirandosi alla struttura delle ossa umane, un team di ingegneri di Princeton ha sviluppato un materiale a base di cemento con una resistenza ai danni 5,6 volte superiore rispetto ai materiali tradizionali
©Princeton University
Un gruppo di ingegneri di Princeton ha sviluppato un nuovo materiale a base di cemento, ispirato alla struttura delle ossa umane, che si dimostra 5,6 volte più resistente ai danni rispetto alle controparti tradizionali. Questo progetto innovativo mira a risolvere uno dei principali problemi del cemento: la fragilità. Grazie a un design bio-ispirato, il materiale resiste alla formazione di crepe e non subisce cedimenti improvvisi, a differenza del cemento tradizionale.
Lo studio, pubblicato sulla rivista Advanced Materials e guidato dal professor Reza Moini e dal dottorando Shashank Gupta, dimostra come una nuova architettura a base di tubi possa aumentare la resistenza del cemento alle crepe, migliorando la capacità del materiale di deformarsi senza fratture improvvise:
Una delle sfide principali nell’ingegneria dei materiali fragili è il rischio di cedimenti catastrofici.
In natura, la forza delle ossa umane è un ottimo esempio di questo equilibrio tra resistenza e flessibilità. Il team ha preso ispirazione dal tessuto corticale delle ossa, che possiede una struttura ellittica in grado di deviare le crepe, rallentandone la propagazione. Nello specifico, le ossa femorali umane, con la loro struttura a osteoni, sono state il modello di riferimento per creare una pasta cementizia dotata di una disposizione interna di tubi cilindrici ed ellittici.
Un materiale più resistente grazie alla geometria dei tubi
La sfida principale per gli ingegneri è stata incorporare tubi vuoti nel materiale senza indebolirlo. Sorprendentemente, la disposizione geometrica e la precisa scelta delle dimensioni, forme e orientamenti dei tubi ha permesso di ottenere una resistenza superiore. Questo approccio innesca un meccanismo di rafforzamento a gradini, dove le crepe vengono intrappolate dai tubi e ritardate, dissipando energia ad ogni interazione. Questo meccanismo impedisce al materiale di cedere improvvisamente, rendendolo molto più resistente.
Una delle novità più rilevanti di questo studio è il modo in cui il team ha potenziato la resistenza del cemento senza aggiungere fibre o plastica. In pratica, hanno manipolato la struttura interna del materiale, raggiungendo miglioramenti significativi solo tramite il design. Inoltre, hanno introdotto un nuovo metodo per quantificare il grado di disordine nella disposizione dei tubi, un parametro cruciale per ottimizzare la resistenza del materiale:
Stiamo solo iniziando a esplorare le possibilità. Questi principi potrebbero essere applicati a molti altri materiali fragili, migliorandone la resistenza ai danni.
Oltre ai vantaggi meccanici, il team di Princeton sta sviluppando tecniche avanzate di fabbricazione robotica e stampa 3D per creare materiali ancora più complessi e resistenti. Secondo Moini, questo approccio offre prospettive promettenti per l’applicazione del cemento bio-ispirato su larga scala, ad esempio nelle infrastrutture civili.
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Fonte: Princeton University
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