Giornale sentire img1 Giornale sentire Logo Giornale sentire img2
Scienza e ricerca

Dal ragno tessuti e sostanze hi-tech

Dal ragno tessuti e sostanze hi-techragnatela_Margherita_Vitagliano.jpg1-ragnatela-in-bianco-e-nero-001.jpg1-ragnatela.jpg
la seta aiuta la medicina

Fili per sutura, rigenerazione dei tessuti, dispositivi per terapie avanzate: dall'ingegneria alla medicina, come riprodurre in laboratorio le eccezionali caratteristiche meccaniche della seta di ragno per applicazioni anche su vasta scala. È anche questo il proposito ambizioso che anima le ricerche condotte da un équipe di studiosi di cui fa parte Nicola Pugno dell'Università di Trento del Dipartimento di Ingegneria civile, ambientale e meccanica (< nella foto).
Grazie alla sua ricerca sarà possibile progettare e riprodurre in laboratorio, portandole su larga scala, le caratteristiche meccaniche più sorprendenti dei materiali presenti in natura, come la seta di ragno, senza alterarne le proprietà.

Studi che hanno ricevuto l'attenzione e l'apprezzamento della rivista Nature Communications, che nel numero uscito oggi pubblica un articolo redatto da un gruppo internazionale di scienziati, centrato sulla progettazione al computer della seta e sulla sua riproduzione artificiale ispirata a quella dei ragni e sulle sue numerose potenziali applicazioni.
«La seta di ragno presenta una tenacità superiore a quella del Kevlar e una resistenza comparabile a quella dell'acciaio pur essendo fino a sei volte più leggera», spiega Pugno, i cui studi su questo super-materiale avevano trovato spazio su Nature già nel 2012. «Da molti anni le nostre ricerche si sono concentrate sulle notevoli proprietà meccaniche della seta, che potrebbero essere sfruttate in molti settori dell'ingegneria, della fisica e della scienza dei materiali. Inoltre, grazie ai loro alti tassi di biocompatibilità e biodegradabilità, le sete di ragno sono materiali proteici che permetterebbero di compiere importanti passi avanti anche nel campo biomedico: dai fili per suturare le ferite, alle operazioni di rigenerazione dei tessuti, alle procedure di rilascio intelligente previste dalla terapia genica».

È per questo che, nel corso delle ricerche, Pugno insieme ad alcuni collaboratori del team di ricerca internazionale ha compiuto importanti tentativi finalizzati a progettare tramite simulazioni al computer la fibra della seta e a sintetizzarla artificialmente. Utilizzare seta artificiale, infatti, è molto più pratico ed economico di quanto non sia prelevare seta dagli allevamenti di ragni, gli animali che producono la seta più resistente. Tutto ciò offre dunque interessanti prospettive per la produzione manifatturiera su larga scala.
Con una formazione in ingegneria, fisica e biologia (ha recentemente concluso un dottorato in biologia proprio sui ragni) Pugno è professore ordinario di Scienza delle Costruzioni e fondatore del Laboratorio di nanomeccanica bio-ispirata e grafene nel Dipartimento di Ingegneria civile, ambientale e meccanica dell'Università di Trento. È inoltre responsabile scientifico dei nanocomposti a base grafene per la Fondazione Bruno Kessler di Trento, membro del Comitato tecnico e scientifico dell'Agenzia Spaziale Italiana e professore di Scienza dei materiali alla Queen Mary University of London. È stato vincitore, in tre occasioni, di importanti finanziamenti da parte dello European Research Council.
2015 www.giornalesentire.it
 

***


Spiegata la resistenza della ragnatela
di Emilio Luzza


(18 maggio 2014) Dopo molte ricerche sulla seta del ragno e sulla ragnatela, si è incominciato a comprendere la relazione profonda che intercorre tra il materiale e la struttura che il ragno produce. Ebbene: è la caratteristica iper-elastica della seta (che si irrigidisce sotto tensione) a rendere la ragnatela estremamente robusta e resistente agli impatti degli insetti. Tuttavia, se il carico applicato alla ragnatela non è puntuale, come nel caso di un impatto di un insetto, ma è distribuito, come nel caso del carico del vento, gli ancoraggi saranno gli elementi strutturali più sollecitati. Il lavoro, che suggerisce anche la possibilità di applicazioni in campo ingegneristico, è finanziato dall'European Research Council ed è stato pubblicato da "Small".

Ma come fa il ragno a progettare gli ancoraggi della sua ragnatela in modo da renderli capaci di resistere anche a degli uragani? A rivelare questo segreto sono stati i ricercatori del MIT di Boston guidati da Nicola Pugno, del Dipartimento di Ingegneria civile, ambientale e meccanica dell'Università di Trento.
Semplificando molto, l'ancoraggio può essere descritto come un sistema adesivo a forma di Y al cui ramo inferiore è applicata la sollecitazione esterna. I ricercatori hanno dimostrato che la resistenza adesiva dell'ancoraggio è massima in presenza di una certa ampiezza degli angoli alla base e che essa dipende dalla deformabilità della seta. Quindi ogni tipo di seta prodotta da un ragno  per essere resistente avrà bisogno di una particolare struttura degli ancoraggi.

In un disco di ancoraggio di ragnatela ritroviamo centinaia di questi elementi a "Y" e c'è anche da chiedersi come faccia il ragno ad ottimizzarli tutti con efficacia. Una soluzione al problema viene dall'impiego di un meccanismo intelligente di auto-ottimizzazione: al crescere della sollecitazione il sistema inizialmente si deforma senza rompersi (ovvero e così è in grado di aumentare l'angolo di base); per un carico sufficientemente elevato, viceversa, il sistema incomincerà a rompersi e quindi a diminuire questo angolo. I ricercatori hanno dimostrato che un ancoraggio di seta di ragno, grazie alla sua grande deformabilità, raggiunge l'angolo ottimale e quindi la massima resistenza semplicemente all'aumentare della tensione applicata. Il ragno così ottimizza simultaneamente le geometrie della moltitudine di contatti che costruisce nel disco di ancoraggio. Tale numero elevato è poi dovuto al fatto che la forza di adesione è proporzionale al perimetro e non all'area del contatto, rendendo benefica una suddivisione della stessa, come in effetti osservato.
Una ultima ottimizzazione potrebbe essere impiegata dal ragno progettando una ragnatela ad uniforme resistenza, tale cioè che la resistenza dell'ancoraggio e della seta sia la medesima e quindi si abbia la loro rottura simultanea, minimizzando il materiale impiegato e quindi il costo energetico.

Lo studio suggerisce soluzioni ispirate all'ancoraggio della seta del ragno per il progetto di ancoraggi di robustezza estrema, di grande interesse in campo ingegneristico, dai nanosistemi alle applicazioni civili, dalle superfici nanostrutturate estremamente adesive per applicazioni mediche agli ancoraggi per il cavo di ponti sospesi. E' la nanomeccanica, con simulazioni di dinamica molecolare e osservazioni sperimentali ad aver reso possibile il lavoro che ha per titolo "Synergetic material and structure optimization yields robust spider web anchorages", finanziato dall'European Research Council, sarà pubblicato da "Small". Primo autore e co-corresponding il professor Pugno.

Scienza e ricerca

Scienza e ricerca

185x190.gif colore_rosso.jpg google_1.png banner_GIF_Sentire.gif banner_hotel.jpg