Il materiale più resistente conosciuto in natura ispira un'alternativa verde al Kevlar

May 14, 2023

La natura è in grado di produrre materiali di incredibile resistenza, e la seta di ragno è uno degli esempi più celebri. Nel 2015, un gruppo di scienziati ha fatto una scoperta rivoluzionaria in quest’area, dimostrando che i denti dei molluschi appiccicosi chiamati patelle hanno in realtà la resistenza alla trazione più forte di qualsiasi materiale biologico. Traendo ispirazione da queste zanne di selce, il team ha prodotto un biomateriale composito estremamente resistente, che potrebbe fornire un'alternativa più sostenibile ai materiali ad alte prestazioni come il Kevlar.

Le patelle sono lumache acquatiche con conchiglie a forma di cappello che si attaccano molto bene alle rocce lungo le coste. Parte di questo stile di vita costiero consiste nel raschiare i denti sulle superfici accidentate per raccogliere alghe per nutrirsi, e qui risiedono i segreti dell'impareggiabile resistenza alla trazione di queste creature.

Nel 2015, i ricercatori dell’Università di Portsmouth hanno utilizzato la microscopia a forza atomica per studiare il materiale dei denti delle patelle e analizzarlo a livello atomico. Il lavoro ha rivelato che i denti della patella hanno una resistenza alla trazione compresa tra 3 e 6,5 gigapascal (GPa). Per contestualizzare, la seta della dragline del ragno ha una resistenza alla trazione di circa 1,3 GPa, mentre l'acciaio si attesta a circa 1,65 GPa. Gli scienziati ritengono che la ragione dell'incredibile resistenza alla trazione del dente della patella sia una fitta rete di fibre di chitina con fini cristalli di geotite contenente ferro sparsi ovunque.

Il team ha ora creato un sistema che consente la formazione di strutture simili in laboratorio che iniziano con vetro rivestito di siero e chitina e ossido di ferro depositati sopra. In due settimane questi si auto-organizzano nell'organo responsabile della formazione dei denti delle patelle, chiamato radula. Utilizzando una combinazione di cellule radulari isolate, campioni di tessuto, chitina mineralizzata e una tecnica chiamata elettrofilatura, gli scienziati sono stati quindi in grado di far crescere nastri di denti di patella biomimetici larghi mezzo centimetro (0,2 pollici).

"Ho impiegato sei mesi per impostare questo processo", ha affermato il dottor Robin Rumney, autore principale della ricerca. "Ho attraversato ogni tipo di permutazione a cui potevo pensare per ciò di cui le cellule avrebbero potuto aver bisogno e come sarebbero cresciute. È molto diverso dalla crescita di batteri o cellule tumorali che comunemente crescono in un ambiente di laboratorio, quindi abbiamo dovuto lavorare da zero cosa funzionerebbe."

Il nuovo biomateriale composito dalla resistenza estrema potrebbe arrivare ad occupare un posto importante nel regno dei materiali sintetici. Se il team riuscisse ad ampliare con successo il processo, potrebbe offrire un’alternativa più sostenibile a materiali come il Kevlar e la plastica, che richiedono molte risorse per essere prodotti e non sono così facilmente riciclabili.

"I compositi completamente sintetici come il Kevlar sono ampiamente utilizzati, ma i processi di produzione possono essere tossici e i materiali difficili e costosi da riciclare", ha spiegato Rumney. "Qui abbiamo un materiale che potenzialmente è molto più sostenibile in termini di come viene procurato e prodotto, e alla fine della sua vita può essere biodegradato."

I ricercatori stanno ora rivolgendo la loro attenzione all’ottimizzazione del processo e alla sua espansione per produrre i denti sintetici della patella nella scala necessaria per la produzione di massa.

"Il nostro prossimo passo è trovare altri modi per ottenere la formazione del ferro, quindi stiamo studiando le secrezioni delle cellule della patella per capirlo meglio", ha detto Rumney. "Se funziona davvero bene, allora abbiamo già le letture genetiche dell'organo in modo da poter estrarre i geni di interesse e, si spera, inserirli in batteri o lieviti per farli crescere su larga scala. Ovviamente abbiamo una crisi della plastica negli oceani in questo momento, e penso che sia una bella simmetria il fatto che possiamo imparare da una creatura marina come proteggerla meglio sostituendo l’uso della plastica con un sostituto biologico”.

La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature Communications.

Fonte: Università di Portsmouth