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Una nuova ricerca condotta presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale dell’Università di Princeton apre una strada promettente verso una nuova generazione di materiali cementizi, utilizzabili per realizzare edifici e infrastrutture più resistenti, sicuri e durevoli. Alla base di questa innovazione non c’è un nuovo cemento o una nuova miscela, ma lo studio della struttura della madreperla: il materiale interno delle conchiglie, sorprendentemente forte nonostante sia composto da elementi intrinsecamente fragili, proprio come la matrice che costituisce il calcestruzzo. In questo articolo esploriamo i principi e gli esiti di questa interessante ricerca che combina biomimetica e ingegneria civile.
L'idea alla base della ricerca: calcestruzzo e conchiglie
Cosa hanno in comune il calcestruzzo e le conchiglie che troviamo in natura? Un difetto intrinseco: entrambi sono costituiti da materiale estremamente fragile. Come sappiamo, il calcestruzzo, formato da cemento, acqua e aggregati in una corretta miscela di specifica progettazione, non sopporta gli sforzi di trazione, e deve infatti servirsi delle armature metalliche annegate nel getto per garantire le performance strutturali necessarie a farlo diventare un materiale da costruzione.
Le conchiglie, al loro interno, sono fatte di madreperla (o nacre), materiale prevalentemente formato da aragonite, un minerale molto fragile. Eppure, a differenza del calcestruzzo, privo di armature, le conchiglie hanno un comportamento macroscopico molto più resistente e tenace. Il segreto sta nella loro microstruttura interna, cioè la composizione geometrica piuttosto che la composizione chimica. Possiamo quindi paragonare la struttura della madreperla a quella di un muro di mattoni microscopico: piccoli elementi estremamente rigidi, formati da aragonite, sono tenuti insieme da un collante morbido, costituito da una matrice di natura organica
Se una sollecitazione esterna inficia la resistenza di questo schema strutturale, gli elementi rigidi scivolano tra loro per effetto di una consistente deformazione della matrice legante. La principale conseguenza di questa condizione deformativa è che la struttura ha internamente più capacità dissipativa e riesce a ridurre l'apporto energetico localizzato che – in caso contrario – causerebbe la formazione di una fessura, quello che tipicamente vediamo nel calcestruzzo attuale. Il risultato è un incremento di duttilità del sistema che garantirebbe al calcestruzzo una performance migliore rispetto a quella a cui siamo abituati oggi.
Gli sviluppi dello studio: 17 volte più resistente
Per riprodurre questa conformazione geometrica all’interno di un materiale cementizio, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica di incisione laser su sottili fogli di pasta cementizia. Con il laser hanno creato una serie di mattoni esagonali, analoghi a quanto presente microscopicamente nella madreperla. Questi fogli, così incisi, sono stati poi sovrapposti inserendo tra uno strato e l’altro un sottilissimo spessore di elastomero PVS, un materiale altamente deformabile che svolge il ruolo della matrice organica naturale. In questo modo hanno creato tre prototipi:
- una versione “a strati” senza incisioni;
- una versione con esagoni incisi, ancora collegati tra loro;
- una versione con esagoni fisicamente separati come singoli elementi.
Tutti i campioni sono stati testati in flessione fino alla frattura, per valutarne la risposta sotto sforzo. I risultati sperimentali confermano l’ipotesi iniziale: riprogettare l’architettura interna del cemento cambia completamente il suo comportamento meccanico, senza dover toccare la sua chimica. Il campione più promettente, il terzo della lista, ha mostrato una tenacità alla frattura aumentata di oltre 17 volte (parametro che misura la capacità del materiale di impedire la propagazione delle lesioni). La fessura è infatti costretta a seguire percorsi tortuosi e a consumare molta più energia per avanzare. Inoltre, il materiale non solo è più resistente, ma anche più duttile, e quindi meno soggetto a rotture improvvise.
Per un materiale tipicamente fragile come il calcestruzzo o in generale di una pasta di cemento, si tratta di un cambiamento radicale. La resistenza meccanica appare comparabile alle paste cementizie tradizionali, nonostante l’aggiunta di strati deformabili e la separazione in esagoni.
L'importanza della ricerca dell'Università di Princeton
Il calcestruzzo è il materiale da costruzione più usato al mondo, ma la sua intrinseca fragilità è un limite. Da decenni si prova a migliorarne le prestazioni – si pensi al calcestruzzo fibrorinforzato, ossia ottenuto con l'aggiunta di fibre e polimeri – ma i progressi sono modesti, dal momento in cui viene spesso rilevata una significativa perdita di resistenza o durabilità. Il lavoro degli scienziati dell’Università di Princeton è importante perché getta le basi per la riprogettazione del calcestruzzo: non intervenendo sulla chimica del cemento, ma sul mix geometrico dell’impasto, ispirato alla struttura interna delle conchiglie, che – secondo lo studio – rappresenta una soluzione naturale. Le applicazioni sono ancora in fase sperimentale e non hanno interessato prototipi a scala reale, dove l’impiego del materiale diventa realmente impattante. Tuttavia, i risultati emersi dalla ricerca preliminare appaiono promettenti e incoraggiano a proseguire su questa strada.
