Un team di ricercatori della Princeton University (Stati Uniti) ha sviluppato un nuovo tipo di calcestruzzo ispirato alla struttura delle ossa umane, per la precisione a quello corticale. Con una resistenza ai danni 5,6 volte superiore ai materiali tradizionali, questo materiale potrebbe rivoluzionare il settore delle costruzioni, rendendo le strutture più sicure e durature.
Un calcestruzzo più resistente ispirato alle ossa umane
Molti non sanno, ma i materiali da costruzione tradizionali, come il calcestruzzo, non sempre sono resistenti. Molti danno per scontato che i materiali resistano ad esempio alle crepe, ma in realtà non sempre la tenacità di un materiale (cioè la sua capacità di assorbire energia da una sollecitazione) coincide con la resistenza alla deformazione.
Ad esempio il calcestruzzo può avere un’elevata resistenza, ma anche al tempo stesso una bassa tenacità alla frattura, rispetto ad altre classi di materiali come i metalli. Infatti, uno degli obiettivi di questa ricerca, pubblicata sulla rivista Advanced Materials, è di sviluppare un materiale che non tenda a rompersi in modo improvviso e catastrofico.
Il progetto nasce dall’osservazione della struttura delle ossa umane, in particolare dell’osso corticale. Questo strato esterno delle ossa, come il femore, è costituito da componenti tubolari ellittici chiamati osteoni, che aumentano la resistenza alla propagazione delle crepe. Allo stesso modo, il nuovo calcestruzzo è progettato con tubi cilindrici e ellittici che interagiscono con le crepe, rallentando la loro diffusione.
Come racconta la stessa Università, ogni volta che una crepa si forma, essa viene prima intrappolata nel tubo e poi ritardata nella propagazione “dissipando parte dell’energia”. Questo meccanismo di “toughening stepwise” evita rotture improvvise, rendendo il materiale molto più resistente nel tempo rispetto ai suoi equivalenti convenzionali.
Un migliorato design geometrico con robotica e stampa 3D
A differenza delle tecniche tradizionali che rafforzano il calcestruzzo aggiungendo fibre o plastica, il team della Princeton University ha scelto di migliorare il materiale attraverso il design geometrico. Manipolando con precisione la forma, la dimensione e l’orientamento dei tubi all’interno del cemento, i ricercatori sono riusciti ad aumentare la resistenza senza sacrificare la forza strutturale complessiva. Questo approccio innovativo rappresenta una svolta nell’ingegneria dei materiali da costruzione, in quanto permette di ottenere miglioramenti significativi nella resistenza senza la necessità di materiali aggiuntivi.
Oltre a migliorare la resistenza alla frattura, i ricercatori hanno introdotto un nuovo metodo per quantificare il livello di disordine nella struttura del materiale. Questo parametro, basato sulla meccanica statistica, offre una descrizione più accurata della disposizione interna dei componenti e di come ciò influisca sulle proprietà meccaniche.
Il team della Princeton University ha inoltre sviluppato nuove tecniche di precisione utilizzando robotica e stampa 3D, per migliorare ulteriormente le proprietà del materiale. L’uso di tecnologie avanzate come la produzione additiva (stampa 3D) potrebbe permettere di creare architetture sempre più complesse e resistenti, favorendo l’applicazione di questi materiali su larga scala, soprattutto nel settore delle infrastrutture civili.
Per saperne di più su questo studio, vi consigliamo la lettura integrale del paper pubblicato su Advanced Materials:
Shashank Gupta et al, Tough Cortical Bone‐Inspired Tubular Architected Cement‐Based Material with Disorder, Advanced Materials (2024). DOI: 10.1002/adma.202313904
