I gusci di alcune conchiglie alternato a strati di materiale duro, uno strato di polimero organico che rende il materiale meno soggetto a rotture
Arriva ancora una volta dalla natura l’ispirazione per costruire meglio con meno. Gli ingegneri della Princeton University hanno creato un nuovo cemento ad alta resistenza con capacità superiori alla media sia in termini di duttilità che di sopportazione ai carichi.
Il segreto del successo di questo materiale prende spunto dalla struttura dei gusci di ostriche e abalone, composti da strati sottilissimi di materiali alternati sovrapposti che ne aumentano esponenzialmente la resistenza.
Il cemento super resistente non si crepa
Secondo il team della Princeton il cemento ad alta resistenza prodotto durante l’esperimento ha una capacità di resistere alle crepe 17 volte superiore rispetto al cemento tradizionale, ed una predisposizione alla duttilità (capacità di allungarsi e deformarsi senza rompersi) 19 volte superiore rispetto allo standard.
“Se riusciamo a progettare il calcestruzzo per resistere alla propagazione delle crepe, possiamo renderlo più resistente, più sicuro e più durevole”, ha affermato il ricercatore Shashank Gupta, uno studente laureato nel laboratorio condotto dal professor Reza Moini presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale.
A fare la differenza sono gli strati alternati di pasta di cemento ispirati al materiale chiamato “nacre” delle conchiglie ovvero la madreperla. A livello microscopico la madreperla alterna a strati duri di aragonite un materiale organico morbido che conferisce l’elasticità. La composizione dei singoli elementi della madreperla è esagonale, forma che accentua ulteriormente la resistenza. “Questa sinergia tra i componenti duri e morbidi è fondamentale per le notevoli proprietà meccaniche della madreperla”, ha affermato Gupta.
Travi in “madreperla”
Copiando dalla natura, i ricercatori hanno sviluppato tre tipologie di cemento ad alta resistenza ottenuto da strati “di madreperla”, provando a creare delle travi in cemento.
Anche in questo caso il composto combina fogli di pasta di cemento Portland in forma esagonale sviluppata come travetti multistrato, con sottili strati di un polimero altamente estensibile, il polivinilsilossano.
Nell’esperimento i ricercatori hanno prodotto tre tipi di travi. Una prima tipologia costituita da strati alternati di fogli di pasta cementizia e sottili polimeri. Una seconda tipologia è prodotta utilizzando un laser per incidere le scanalature esagonali nei fogli di pasta di cemento.
Ed un terzo tipo tagliando completamente il cemento, per creare elementi esagonali separati tra loro dallo strato polimerico.
Le tre travi sono poi state messe a paragone con una trave di uguali dimensioni ma prodotta con un’unica colata di cemento monolitica.
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Le prestazioni migliori si sono ottenute con la terza tipologia di travi, anche la più simile alla disposizione dell’aragonite nella madreperla.
“Il nostro approccio di ispirazione biologica non consiste semplicemente nell’imitare la microstruttura della natura, ma nell’imparare dai principi sottostanti e utilizzarli per informare l’ingegneria dei materiali prodotti dall’uomo. Uno dei meccanismi chiave che rendono resistente un guscio madreperlaceo è lo scorrimento della compressa a livello nanometrico. Qui, ci concentriamo sul meccanismo di scorrimento delle compresse ingegnerizzando la struttura tabulata incorporata della pasta di cemento in equilibrio con le proprietà del polimero”, conclude il professor Moini, che ha poi aggiunto: “in altre parole, copiamo intenzionalmente i difetti nei materiali fragili per renderli più resistenti in fase di progettazione”.
L’articolo, “Tough and Ductile Architected Nacre-Like Cementitious Composites”, è stato pubblicato il 10 giugno sulla rivista Advanced Functional Materials.