PUNTI ESSENZIALI LEZIONE 1

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1 PUNTI ESSENZIALI LEZIONE 1 Processo di design Concettualizzazione Bioispirazione Compromessi (trade-off) Selezione dei materiali Domande di design Stato di servizio Limiti di progetto Concetti generali (p.es., costo, fine vita) Materiali ideali Difetti Tassonomia dei materiali (progettati e naturali) Caratteristiche materiali ideali L'acciaio e la ghisa: diagramma ferro-carbonio Difetti e reticolo cristallino: dislocazioni Uso dei difetti in natura Materiali quasi privi di difetti e problemi: whiskers

2 DISOMOGENEITA': 1. Presenza di diverse fasi Materiali compositi (es. legno), costituiti da una matrice di supporto e da fibre di rinforzo, unite da un'interfaccia. Essere costituito da diverse fasi dà una maggiore leggerezza alla struttura e la possibilità di compensare i difetti del materiale attraverso una resistenza a specifiche sollecitazioni in diverse parti. Nel caso del legno, la lunghezza e l'allineamento delle fibre costituiscono buona parte del valore del legno per certi utilizzi, e diventano cruciali in alcuni casi (es. legni per strumenti ad arco) Il vantaggio dei compositi naturali è che le fibre e la matrice sono perfettamente compatibili perché sono ottenuti dallo stesso materiale (cellulosico) Effetto Cumulativo (visibile) Effetto microstrutturale

3 UNA DIVERSA LETTURA DEL LEGNO: MATERIALE GERARCHIZZATO Struttura del legno In natura, la struttura di un composito fibrorinforzato, ma gerarchizzato, fornisce: Quasi infinite possibilità di adattamento a geometrie e topologie diverse Alti livelli di integrazione tra le diverse funzioni del materiale Opportunità per adattamento ambientale e sensorialità

4 ALTRI ESEMPI MATERIALI GERARCHIZZATI: L'OSSO E LA SETA Sia nel caso dell'osso che nel caso della seta le strutture portanti (il collagene nell'osso, e la fibroina per la seta) passano attraverso una gerarchia di strutture di forma fibrosa, ma con elementi disposti al loro interno non in modo lineare, ma a spirale, o meglio ad elica: tripla elica per il collagene, doppia elica per la fibroina). Notare che in questo modo non conservano nessuna relazione evidente con la loro origine (gli amminoacidi glicina, alanina e serina per la seta, l'idrossiapatite per l'osso)

5 DISOMOGENEITA': 2. Porosità variabile I materiali normalmente hanno porosità variabile, inoltre ci sono diversi tipi di porosità e difetti presenti. Nei materiali ingegnerizzati, normalmente la porosità è un difetto, che va eliminato il più possibile ottimizzando il trattamento di produzione e parametri connessi (temperatura, tempo di pressa, pressione, fluidità della resina o della colata, impurezze, ecc.). Nei materiali naturali invece la porosità, sotto forma di cellule, è la base della struttura del materiale.

6 SCAFFOLD ( ponteggi ) OSSEI E POROSITA' Nel caso del tessuto osseo lo scaffold deve essere mineralizzato e deve essere poroso per permettere la migrazione delle cellule osteogenetiche e per permettere lo sviluppo vascolare. Gli scaffold porosi mineralizzati vengono ottenuti da fonti naturali quali corallo o osso naturale o sono completamente sintetici. Normalmente hanno di per se stessi capacità osteoconduttive (permettono l'innesto dell'osso), solo in alcuni casi hanno capacità osteoinduttive (favoriscono la formazione dell'osso), come nel caso di scaffold in fosfato di calcio, e osteogeniche (sintetizzano tessuto osseo). Collocazione degli scaffold biomimetici tra i possibili processi di rigenerazione Materiali per scaffold ossei sono normalmente ceramici, come idrossiapatite o fosfato di calcio, a volte si utilizzano anche compositi p.es. acido polilattico (PLA)/ carbonato di calcio o PLA/collagene/idrossiapatite (compositi gerarchizzati)

7 DIATOMEE COME SISTEMI DI SOMMINISTRAZIONE MEDICA (DDS) O BIOSENSORI Diatomea con valve radiali Coscinodiscus walesii e struttura fotonica dei pori The glass forest Le diatomee sono micro-alghe unicellulari che comprendono nanostrutture complesse. La materia cellulare, contenuta nel protoplasma della diatomea, è rinchiusa in una parete di silice idrata amorfa, detta frustulo, costituito da due valve congiunte. Nelle valve ci sono reticoli di pori, regolari e con periodicità variabile a seconda della specie. Mentre i pori permettono ai frustuli di essere leggeri, la composizione in silice conferisce ad essi un'elevata resistenza meccanica. Usi possibili sono come sistemi di somministrazione controllata, oppure come biosensori per luminescenza.

8 ALTRE STRUTTURE CELLULARI Piume degli uccelli Il corpo della piuma (rachide) contiene una schiuma cellulare Serve ad evitare che le piume cedano a flessione La densità è bassissima (circa 0.06). Invece la struttura delle barbe, barbule e barbicelle è molto più piena, fibrosa e soffice per consentire portanza nel volo. Ali degli insetti (aerofoil) Le ali degli insetti (qui la libellula) hanno complesse forme di ripiegamento che servono a mantenere alte frequenze di battito in volo. Inoltre le superfici delle ali sono dotate di sensori filiformi di flusso d'aria.

9 PROPRIETA' DEI MATERIALI CELLULARI I materiali naturali di origine vegetale hanno la caratteristica di essere formati da cellule, che sono normalmente vuote, quindi sono ad altissima porosità (o, se si vuole, a bassissima densità). Nel caso di strutture come le fibre vegetali, alla porosità derivante dalle cellule si aggiunge al centro un lumen (se piccolo), o lacuna (se grande), che consente, oltre che il passaggio dei fluidi nutritivi, un'elevata resistenza meccanica alla pianta.

10 IMPORTANZA DEL LUMEN DELLA FIBRA Technical plant stem (rinforzo per un composito fibrorinforzato biomimetico) (Milwich et al., Patent, Freiburg, 2006) Bleeding composites Le fibre forate possono fornire una migliore visualizzazione del danneggiamento e possibilmente autoripararsi (self-healing) (Bond, U. of Bristol, 2003) Maggiore funzionalità Le fibre forate possono fornire un migliore isolamento termico ed elettrico (bio-dielettrici)

11 EFFETTO DEI DIFETTI (nei solidi cellulari ingegnerizzati, ispirati ai naturali: nido d'ape ) In un solido cellulare, l'effetto dei difetti è evidente, ma difficilmente prevedibile: questo rende complessa la compensazione dei difetti stessi, ma rende anche poco rilevante la ricerca di simmetrie

12 SFRUTTARE L'ASIMMETRIA: MATERIALI AUXETICI I materiali auxetici sono materiali cellulari che si allargano in tre direzioni, invece di stringersi in una sola, quando sono tirati (modulo di Poisson negativo). Sono un buon modello per i materiali biologici anche perché le loro proprietà meccaniche sono determinate dalle fluttuazioni di microscala della struttura. Materiale cellulare convenzionale (a sinistra) e auxetico rientrante (a destra) Materiale cellulare auxetico chirale Queste diverse forme sono potenzialmente applicabili come attuatori attivabili termicamente (a memoria di forma)

13 PRODUZIONE DEI MATERIALI AUXETICI I materiali auxetici esistono in natura, per esempio nella pelle di alcuni serpenti, delle salamandre e del gatto: la possibilità di passare rapidamente da deformazioni negative a positive senza eccessive trazioni è all'origine del fenomeno della macrofagia. Al momento della produzione di materiali auxetici ingegnerizzati si sono ipotizzate delle strutture a doppia elica, come quella qui sotto:

14 ISOTROPIA E ANISOTROPIA Il vantaggio del materiale isotropo (in senso meccanico, termico, elettrico, magnetico) è quello di essere completamente descritto da un unico valore di una grandezza fisica. Per esempio un unico valore della conducibilità termica o elettrica, od un unico valore della resistenza meccanica o della permeabilità magnetica. Nel caso reale, i valori che vengono offerti (per esempio nelle specifiche) sono dei valori medi con una deviazione standard: nel caso in cui i valori della deviazione standard siano particolarmente grandi si può pensare di valutare anche la confidenza al 90 od al 95% dei valori. Tra i materiali, quelli con la maggior percentuale di porosità, quindi i ceramici ed i materiali naturali, hanno anche la maggiore variabilità nelle proprietà. Questo richiede di avere un approccio probabiliistico allo studio delle proprietà a rottura (approccio di Weibull o teoria dell'anello debole) Se le proprietà del materiale seguono più o meno una distribuzione gaussiana normale (in figura) è possibile fare un'analisi della varianza (ANOVA) che serve per vedere se le variazioni osservate introducendo una certa modifica nel materiale sono significative.

15 CURVE DI WEIBULL I materiali naturali, per esempio le fibre estratte dalle piante, rispondono alla teoria di Weibull: questo comporta il problema, nell'utilizzarle tal quali, di non riuscire facilmente a stabilire dei limiti meccanici affidabili, e quindi a formulare delle specifiche

16 QUASI-ISOTROPIA RAGGIUNTA PER SOVRAPPOSIZIONE DEGLI EFFETTI Considerare i laminati compositi come quasi-isotropi in funzione della direzione delle fibre trascura il contributo dell'interfaccia fibra-matrice e dell'adesione variabile tra i diversi strati, ovviamente dipendente anche dal tipo di processo adottato per la laminazione

17 COMPOSITI CERAMICI NATURALI Questa struttura, detta lamellare incrociata, con tre strati di spessore uniforme, ricorda l'allineamento delle fibre nel legno, delle barbule nelle piume o i compositi cross-ply, ed è quindi tendente ad una quasi-isotropia

18 STRUTTURA OSSO DI SEPPIA Le particolari caratteristiche che rendono interessanti gli ossi di seppia, oltre che la specifica simmetria retta, utilizzata per il galleggiamento a profondità fissa, è la presenza di canali curvi e strutture di interconnettività tra le porosità, che facilitano potenzialmente l'innesto dell'osso. Altro utilizzo recentemente investigato per gli ossi di seppia (e connesso con la simmetria strutturale) è l'uso come super conduttori. In effetti è stata rilevata una densità di corrente critica maggiore di quasi due ordini di grandezza rispetto ad un comune superconduttore commerciale, come la polvere di Y123 (Y1Ba2Cu3Ox) con una temperatura critica di 92 K, tuttavia i superconduttori in osso di seppia hanno notevole fragilità, per cui si pensa a trattamenti superficiali, come la nitrurazione.

19 ABALONE (es. di materiale per scaffold) (struttura a mattoni di carbonato di calcio, lunghi circa 10 micron, con sezione circa quadrata di 0.5 micron di lato, intersecati e disposti a spirale in simmetria tridimensionale: la proteina agisce come collante) Tipica struttura della conchiglia di abalone a spirale quasi logaritmica La conchiglia dell'abalone è un esempio di ceramico tenace In quanto le unità strutturali sono capaci di scivolare l'una rispetto all'altra, resistendo alla formazione delle fratture.

20 DESIGN NATURALE E STRUTTURE A FIBRA La natura opera per gerarchizzazione, e le cellule vengono assemblate secondo una simmetria a spirale: ad elica (es. cellulosa), a doppia elica (es. seta) o a tripla elica (es. collagene). Data la presenza di un auto-assemblaggio a spirale, gli errori di design o difetti vengono meglio recuperati continuando l'avvolgimento secondo un angolo piuttosto che stratificando in successione tipo bozzolo. Il sistema a bozzolo viene utilizzato soltanto nel caso che la natura fornisca anche un collante. Questo modo di costruzione del materiale è conveniente anche per fornire, quando necessario, un maggior supporto nella direzione di applicazione delle sollecitazioni più grandi. Struttura a bozzolo (per ermeticità) Struttura a fibre (per resistenza)

21 RICERCA DI DOCUMENTAZIONE SCIENTIFICA Fonti non controllate Fonti controllate (con comitato di lettura) Wikipedia Blog Atti di conferenze senza peer review Libri editati Articoli su riviste Atti di conferenze con peer review La peer review è un processo di arbitraggio attraverso il quale altri ricercatori (non collegati con gli autori valutano i risultati per coerenza scientifica, innovazione e chiarezza della presentazione. Gli articoli scientifici possono venir reperiti per esempio col motore di ricerca Google Scholar (scholar.google.com). Blog Biomimetica e materiali : biomimit.blogspot.com Blog Architettura e design :

22 ESEMPI DI TERMINI DA RICERCARE (su Google Scholar, con virgolette) Struttura a doppia elica ( double helix structure ) Strutture gerarchizzate ( hierarchized structures ) Materiali auxetici ( auxetic materials ) Scaffold biomimetici ( biomimetic scaffolds ) Aerofoil della libellula ( dragonfly aerofoil, o dragonfly airfoil ) Struttura della piuma ( feathers structure ) Conchiglia dell'abalone ( abalone shell )