Docenti e ricercatori del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano stanno realizzando, insieme ai ricercatori della Clausthal University of Technology - Germania, nuovi materiali compositi ispirati alla struttura dell’osso; si tratta di materiali che hanno una struttura innovativa che permette di raggiungere performance più elevate rispetto agli attuali materiali da costruzione.

La collaborazione tra i gruppi di ricerca delle due università, infatti, ha portato di recente alla produzione di nuovi compositi fibrorinforzati che imitano l’elevata tenacità e lo straordinario equilibrio di resistenza e rigidezza del tessuto osseo. I ricercatori hanno scelto l’osso come modello a cui ispirarsi, data la combinazione sorprendente di proprietà meccaniche, difficilmente riscontrabile in materiali artificiali. Ad esempio, l’osso corticale, dalla struttura densa e compatta, fornisce un buon sostegno strutturale, mentre l’osso trabecolare, più poroso, offre un’ottima resistenza alla compressione. Entrambi hanno una straordinaria capacità di rimodellarsi e autoripararsi, sotto l’effetto di sollecitazioni meccaniche. Combinando l’analisi del tessuto osseo ai principi dell’ingegneria, il team di ricercatori ha studiato il modo di utilizzare polimeri e fibre sintetiche per creare nuovi materiali fibrorinforzati con una struttura interna innovativa e una vasta gamma di potenziali applicazioni. Per realizzare questo materiale è stata messa a punto, in laboratorio, una nuova tecnica di produzione.

La ricerca è illustrata nell’articolo "Bone-inspired enhanced fracture toughness of de novo fiber reinforced composites", pubblicato sulla rivista Nature Scientific Reports da Flavia Libonati e Laura Vergani, del DMecc, Dilmurat Abliz e Gerhard Ziegmann, del Dipartimento di Materiali Polimerici e Ingegneria delle Plastiche della Clausthal University of Technology. Tra i coautori figurano André Vellwock e Francesco Ielmini, due ex studenti che hanno contribuito alla ricerca durante il loro lavoro di tesi.

Replicando le principali caratteristiche microstrutturali del tessuto osseo nel design di nuovi materiali, è stato possibile riprodurre i meccanismi fondamentali di tenacizzazione dell’osso, incrementando la tenacità del materiale di quasi il 30% rispetto a laminati compositi generalmente utilizzati, e raggiungendo un ottimo compromesso tra la resistenza e la rigidezza. L’aumento della tenacità a frattura rappresenta un grande passo avanti nel settore dei materiali compositi. La strategia di progettazione adottata apre nuove strade al design di materiali compositi consentendo di superare i limiti intriseci dei laminati, attualmente più utilizzati per la realizzazione di strutture leggere.
 
La straordinaria combinazione di leggerezza, resistenza e tenacità, consentirebbero infatti di migliorare significativamente la sicurezza di strutture e componenti meccanici, con un impatto notevole sia nel settore della ricerca che in quello industriale. Le conoscenze acquisite grazie a questa ricerca potrebbero portare a un reale cambiamento di paradigma nella progettazione dei materiali. Tra le possibili applicazioni future e i vantaggi di questo lavoro di bio-ispirazione figurano anche un vantaggio in termini di peso e una maggiore sicurezza, soprattutto in applicazioni in cui il rischio di un cedimento improvviso è molto alto, come nei gasdotti, o in componenti protesici che presentano particolari criticità.