Ling Li si rivolge ai ricci di mare per ottenere schiume ceramiche più resistenti

Sep 28, 2023

27 ottobre 2022

Ling Li, assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica della Virginia Tech, ha svelato un mistero nelle microstrutture porose degli esoscheletri di ricci di mare che potrebbe portare alla creazione di ceramiche sintetiche leggere. Le sue scoperte sono state pubblicate su Nature Communications il 14 ottobre.

La ceramica è altamente resistente al calore, il che la rende la scelta preferita nella gestione delle brutali esigenze termiche dei veicoli ad alta velocità che viaggiano a una velocità superiore a quella del suono. A queste velocità vertiginose, l’aria compressa crea un attrito significativo contro il veicolo, con conseguente rapido aumento del calore che incontra.

La resistenza al calore può essere il punto di forza della ceramica, ma la tolleranza ai danni è un punto debole. Un singolo impatto puntuale in una piastra di ceramica può provocare una rottura rapida che causa il cedimento totale della struttura. La ceramica diventa ancora meno resistente ai danni quando viene resa porosa per ridurne il peso; tuttavia, la riduzione del peso è un requisito fondamentale per molte applicazioni strutturali, compresi i veicoli ad alta velocità.

L'aeronautica americana, uno degli sponsor della ricerca di Li, è da tempo interessata a migliorare le prestazioni meccaniche dei materiali ceramici. Oltre a ricevere sostegno finanziario dall'Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica militare, il team di Li ha anche ottenuto fondi dalla National Science Foundation.

Questi fondi combinati, ricevuti dal laboratorio nel 2018, hanno consentito ai ricercatori di esplorare nuovi principi di progettazione incorporati nei solidi cellulari ceramici naturali formati da organismi come i ricci di mare. L'esoscheletro di un riccio di mare è un tipo di solido cellulare, o "schiuma", così chiamato perché la sua microstruttura è un insieme di cellule aperte con bordi o facce solidi, imballate insieme in modo da riempire lo spazio. Gli spazi tra le cellule le rendono porose, creando un materiale che può essere meccanicamente più efficiente rispetto alle strutture dense.

"In questo lavoro, pensiamo di aver trovato alcune delle strategie chiave che consentono al riccio di mare di essere forte e resistente offrendo allo stesso tempo una riduzione del peso grazie alla sua microstruttura porosa", ha affermato Li. "Questo documento di Nature Communications riporta i risultati che abbiamo trovato su ciò che è nascosto all'interno."

Le spine dei ricci di mare sono rigide, forti e leggere. Queste spine sono fatte di un minerale fragile chiamato carbonato di calcio, che è simile alla ceramica sintetica, ma il riccio ha una tolleranza molto più elevata ai danni quando riceve peso o forza. Il team di Li ha testato questo principio premendo meccanicamente le spine, simulando lo stesso tipo di condizione in cui potrebbe dover resistere una ceramica tecnica. Le spine del riccio di mare si deformarono con grazia sotto la forza esercitata su di esse, in contrasto con il catastrofico cedimento degli attuali solidi cellulari ceramici sintetici. Questo comportamento di "grazioso fallimento" consente alle spine del riccio di mare di resistere ai danni con una significativa capacità di assorbimento di energia.

Nel corso di questa ricerca, il team di Li ha scoperto alcuni segreti che conferiscono al monello la capacità di restare unito durante il carico meccanico.

"Ci sono un paio di segreti nelle caratteristiche strutturali delle spine dei ricci di mare. Uno è legato alla connessione dei rami", ha detto Li. "La seconda è la dimensione dei pori."

Al microscopio, il team di Li ha osservato un'architettura di rami corti interconnessi. Una rete di nodi tiene insieme questi rami e uno dei segreti della tolleranza ai danni del monello è l'equilibrio tra il numero di nodi e rami. Quel numero è proprio critico perché i nodi con troppi rami collegati renderanno la struttura più fragile e fragile. I nodi nella struttura porosa delle spine dei ricci di mare sono collegati in media a tre rami, il che significa che la rete di rami subirà una frattura indotta dalla flessione invece di una frattura indotta dallo stiramento più catastrofica.

Il secondo segreto sta nella dimensione degli spazi, o pori, tra i rami. Il team ha scoperto che gli spazi all'interno della struttura porosa delle spine dei ricci di mare sono solo leggermente più piccoli delle dimensioni dei rami. Ciò significa che una volta che i rami si spezzano, possono essere immediatamente bloccati in posizione da queste aperture più piccole. I rami spezzati si accumulano uno sopra l'altro sui pori, creando una regione densa che è ancora in grado di sostenere il carico.