Sono i dentelli delle comuni patelle (Patella vulgata) il materiale naturale in assoluto più resistente, con prestazioni paragonabili alle più sofisticate fibre di carbonio finora realizzate. Il materiale che compone quei dentelli, usati dal piccolo gasteropodo per raschiare dalle rocce le alghe di cui si nutre, scalza così dal podio quello che finora deteneva il record, la seta del ragno.
La scoperta – descritta in un articolo pubblicato sulla rivista “Interface” della Royal Society – è stata fatta da Nicola M. Pugno che dirige il Laboratory of Bio-Inspired and Graphene Nanomechanics dell’Università di Trento, e colleghi dell’Università di Portsmouth e della Queen Mary University di Londra (dove pure Pugno insegna).
La resistenza dei dentelli di patella – ossia la loro capacità di sopportare uno stress di trazione senza rompersi – è stata misurata dai ricercatori in 4,9 gigapascal (con valori massimi di 6,5 gigapascal). Si tratta di un valore decisamente superiore a quello della seta di ragno (4 gigapascal al massimo), cinque volte superiore a quello del bambù e dieci volte quello dei denti umani.
I dentelli sono formati da una matrice proteica in cui sono immerse nanofibre di un minerale composto prevalentemente da un idrossido di ferro, la goethite, che hanno una lunghezza di diversi micrometri, ma un diametro di poche decine di nanometri.
L’eccezionale resistenza di questo materiale composito va in buona parte attribuito proprio al diametro delle nanofibre di goethite, che complessivamente costituiscono l’80 per cento del volume dei dentelli. Il diametro delle nanofibre è infatti al di sotto del valore di soglia per l’incorporazione nel reticolo cristallino del minerale di difetti strutturali, che faciliterebbero la comparsa di fratturazioni e quindi la rottura del materiale. Inoltre, a differenza di quanto normalmente avviene per altri materiali, l’aumento della lunghezza della fibra non sembra ridurne significativamente la resistenza.
Per misurare la resistenza del materiale i ricercatori hanno prelevato dai dentelli, lunghi di circa 100 micrometri, minuscoli campioni di circa 10 micrometri di lunghezza e con uno spessore di 1 micrometro, ovvero 100 volte inferiore a quello di un capello umano. Questi campioni sono stati poi inseriti in un apparato per essere sottoposti a trazione attraverso una sorta di dinamometro azionato da un microscopio a forza atomica.
Lo studio dimostra quindi l’esistenza in natura di un materiale composito a estrema resistenza, e suggerisce una strategia di progettazione di analoghi materiali artificiali ottenuti con l’inserimento di una frazione molto elevata di materiale, dal punto di vista del volume. Pugno – ispirandosi seta dei ragni – ha già realizzato la fibra piu’ tenace del mondo (10 volte il kevlar) con una idea per la quale ha ricevuto il suo terzo grant dall’European Research Council.
Didascalia foto: scalogramma di resistenza
