I ricercatori della Cornell University, hanno dimostrato come un “raggio” nelle ossa umane è in grado di sopportare l’usura per tutta la sua vita. Tale intuizione potrebbe aiutare lo sviluppo di materiali architettonici leggeri e stampati in 3D durevoli nel industria edile e aerospaziale.

Il perfetto sostituto delle ossa

Le nostre ossa contengono una struttura interna che ne determina il tempo di vita, proprietà che possiedono anche gli edifici stampati in 3D. Tuttavia, uno studio ha dimostrato che tali strutture si possono replicare con uno spessore di un terzo maggiore con un tempo di vita 100 volte superiore.

Nonostante siano più veloci e meno costosi da produrre, un maggiore utilizzo di case e uffici stampati in 3D richiede che siano sufficientemente robusti per sopravvivere ai disastri naturali. Poiché questo può essere risolto ridisegnando la struttura interna, o “architettura“, del cemento utilizzato, il team ha ricercato materiali architettonici ispirati alla natura per migliorarne la funzionalità e le proprietà chiave.

Le ossa sono così durevoli grazie alla trabecola, una struttura spugnosa che è una rete di montanti interconnessi che fungono da colonne e travi. Più dense sono le trabecole più resistente è l’osso. Tuttavia, la malattia e l’invecchiamento hanno un effetto sulla loro densità, dovuto all’insorgenza dell’osteoporosi. Con la perdita dei montanti orizzontali per primi, aumentando le possibilità di rottura a causa della continua usura. I ricercatori hanno scoperto che mentre i montanti verticali contribuiscono alla rigidità e alla forza dell’osso, sono in realtà i montanti orizzontali che lavorano per aumentare la sua durata sotto fatica e sono fondamentali per il tempo di vita.

Test meccanici per la valutazione delle prestazioni

Sono state eseguite simulazioni della microstruttura ossea sotto carico ciclico per identificare se le deformazioni si sarebbero concentrate nei montanti orizzontali. Inoltre aumentando lo spessore dei montanti, i ricercatori sono stati in grado di mitigare alcune di queste deformazioni. La conferma dei risultati è arrivata grazie a test di carico sui polimeri stampati 3D. Si è osservato che più spessi sono i montanti orizzontali più a lungo il polimero avrebbe sopportato il carico.

Poiché l’ispessimento dei montanti non ha aumentato significativamente la massa del polimero, il design potrebbe portare a materiali leggeri più resilienti. Come ha affermato l’autore senior Christopher Hernandez,

“La nostra scoperta principale è che gli elementi strutturali che non resistono direttamente al carico sono in realtà molto importanti per il cedimento per fatica”.

Il team ora spera di valutare altre modalità di carico e di testare l’applicazione delle stime di fatica nelle strutture del mondo reale oltre alle ossa.

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