625* 21 febbraio 2022
Materiali speciali aumentano la potenza del morso di formiche e ragni e del pungiglione degli scorpioni
(Articolo tratto da greenreport.it)
Scoperta una classe di biomateriali che crea strumenti più affilati e resistenti ai danni.
Lo studio “The homogenous alternative to biomineralization: Zn- and Mn-rich materials enable sharp organismal “tools” that reduce force requirements”, pubblicato su Scientific Reports da un team di ricercatori statunitensi guidato da Robert Schofield del Department of biochemistry and biophysics dell’università dell’Oregon (OU), ha scoperto che le mandibole delle formiche, le zanne dei ragni e le punte delle punture di scorpione sono composte da materiali speciali che permettono una forza di penetrazione delle prede che le muscolature limitate di questi animali non consentirebbe.
Schofield sottolinea che «Questa conoscenza non allevierà il dolore di una loro puntura sulla pelle umana, ma potrebbe essere utile per la progettazione di nuovi strumenti di taglio di precisione».
Questa innovativa ricerca è iniziata nel 2014 grazie a un finanziamento della finanziata dalla National Science Foundation, ma il progetto ha subito ritardi.
Le tecnologie utilizzate nel progetto degli insetti si trovano nel Center for Advanced Materials Characterization in Oregon, una struttura UO nota come CAMCOR, e nell’Environmental Molecular Sciences Laboratory del Pacific Northwest National Laboratory a Richland, Washington.
Per capire come funzionano gli affilati strumenti di organismi così piccoli come formiche, vermi, scorpioni e ragni, il team di Schofield, che comprendeva 15 studenti universitari, laureati e ricercatori dell’Ou e del Lane Community College, ha utilizzato testing machines in miniatura.
In tutto, i ricercatori hanno completato 1.500 misurazioni su 150 organismi di 10 specie diverse e sono arrivati alla conclusione che «Gli strumenti affilati contengono biomateriali ad elementi pesanti» e che «sono arricchiti con zinco e manganese».
Un altro autore dello studio, lo scienziato dei materiali Arun Devaraj del Pacific Northwest National Laboratory spiega che «Utilizzando la tomografia a sonda atomica, un tipo avanzato di microscopio, abbiamo osservato la distribuzione di zinco e proteine nei denti delle formiche su scala subnanometrica, il che ci ha aiutato a capire perché questi “strumenti” da taglio sono così forti».
I ricercatori ritengono che i materiali che rendono così forti i morsi di insetti e di altri artropodi «Rappresentano anche una terza classe di biomateriali strutturali, diversi dai semplici materiali organici presenti negli artigli e nelle unghie e dalle sostanze mineralizzate nei denti e nelle ossa».
Schofield aggiunge: «Abbiamo scoperto che, se questi piccoli organismi realizzassero i loro strumenti con lo stesso materiale organico di altre parti rigide dei loro esoscheletri, i bordi taglienti si deformerebbero di più, non sarebbero così duri e spesso si logorerebbero molto più velocemente.
D’altra parte, se usassero il materiale calcificato di cui sono fatti i denti umani, i loro strumenti sarebbero abbastanza duri, ma non sarebbero abbastanza affilati a causa delle grandi dimensioni dei cristalli.
Questa classe di biomateriali crea strumenti più affilati e resistenti ai danni che consentono agli scorpioni, ad esempio, di utilizzare circa un quinto della forza rispetto a quella necessaria con i semplici materiali organici».
Con le testing machines in miniatura e le relative tecniche, il team di Schofield ha misurato la capacità degli strumenti di perforazione degli organismi di resistere all’impatto e alla frattura.
Inoltre, sono state fatte misurazioni sulla resistenza all’abrasione e sull’energia meccanica e le proprietà dei materiali.
Grazie alla tomografia a sonda atomica, il team ha creato mappe 3D dei frammenti molecolari nelle strutture proteiche, raggiungendo una risoluzione migliore di 7 nanometri.
Altri strumenti di precisione sono stati utilizzati per studiare la composizione dei materiali, smontandoli quasi atomo per atomo.
Schofield conclude: «Gli ingegneri umani potrebbero imparare da questo trucco biologico usato dai piccoli organismi per lo sviluppo delle loro zanne affilate, pungiglioni e mandibole.
La durezza dei denti delle formiche, ad esempio, quando viene aggiunto lo zinco aumenta la durezza della plastica a quella dell’alluminio.
Sebbene ci siano materiali di ingegneria molto più duri, sono spesso più fragili o duttili».
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