I compositi del futuro imparano dalle ossa
Un materiale bioispirato sviluppato nei laboratori del Dipartimento di ingegneria meccanica, energetica, gestionale e dei trasporti - DIME dell'Università di Genova assorbe il 95% in più di energia prima della rottura e permette di recuperare e riutilizzare direttamente i rinforzi strutturali. Lo studio è pubblicato su Advanced Functional Materials.
E se le automobili, le barche e gli aerei di domani fossero progettati come un femore?
Potrebbe sembrare un azzardo, ma l’osso corticale è molto più resistente alla propagazione delle fratture di quanto immaginiamo. Il segreto è nella sua architettura gerarchica: gli osteoni e le lamelle concentriche deviano, rallentano e talvolta arrestano le cricche, impedendo che un danno localizzato si trasformi rapidamente in una frattura catastrofica.
È a questa strategia naturale che si è ispirato un gruppo di ricerca dell’Università di Genova per sviluppare un nuovo composito fibrorinforzato, più tenace durante l’impiego e progettato per conservare il valore dei suoi componenti anche a fine vita.
La ricerca è descritta nello studio Bone-Inspired Recyclable Composites for Damage-Tolerant Circular Materials, pubblicato sulla prestigiosa rivista Advanced Functional Materials.
Il prototipo assorbe quasi il doppio dell’energia prima della rottura rispetto a un laminato convenzionale equivalente. Dopo la separazione dei componenti, le unità di rinforzo ispirate all’osso mantengono proprietà meccaniche paragonabili a quelle originarie e possono essere impiegate direttamente per assemblare un nuovo composito.
Il risultato apre una nuova prospettiva per i materiali leggeri utilizzati in settori come aerospazio, automotive, nautica ed energia eolica: progettare congiuntamente le prestazioni in servizio e il valore da preservare a fine vita.
Recuperare la funzione, non soltanto la materia
I compositi fibrorinforzati permettono di realizzare strutture leggere, efficienti e resistenti e trovano applicazione in numerosi settori industriali. Ma proprio la loro struttura rappresenta una difficoltà quando arriva il momento del riciclo: le fibre ad alte prestazioni sono saldamente integrate nella matrice polimerica e separare i diversi componenti può restituire fibre corte, disallineate o destinate ad applicazioni di valore inferiore.
La ricerca UniGe parte quindi da un obiettivo più ambizioso: recuperare non soltanto il materiale, ma anche la sua funzione strutturale.
«Il punto non è semplicemente recuperare materia, ma conservarne il valore – spiega Flavia Libonati, docente UniGe di Progettazione meccanica e costruzione di macchine al Dipartimento di ingegneria meccanica, energetica, gestionale e dei trasporti - DIME e coordinatrice dello studio. – Se alla fine del processo otteniamo fibre danneggiate o prive del loro allineamento, abbiamo riciclato, ma abbiamo perso gran parte della loro funzione. Per questo abbiamo progettato insieme la risposta al danno e la strategia di riuso».
Imparare dall'architettura dell'osso
I ricercatori hanno tradotto il principio osservato nell'osso in unità di rinforzo multistrato ispirate agli osteoni, assemblate all'interno di una matrice termoplastica Elium®.
Nasce così un composito gerarchico nel quale l'architettura svolge una doppia funzione: durante l'utilizzo aumenta la tolleranza al danneggiamento; a fine vita permette di recuperare elementi portanti modulari ancora integri e allineati.
I risultati sperimentali mostrano un aumento del 95% della capacità di assorbire energia prima della rottura sotto carichi di trazione e del 35% della resistenza rispetto a un laminato convenzionale.
Anche il modo in cui avviene il cedimento cambia: dopo il primo danneggiamento, le unità bioispirate continuano a sostenere e redistribuire il carico, producendo una risposta più progressiva anziché una rottura improvvisa. Le simulazioni numeriche hanno permesso di riprodurre la risposta meccanica e il percorso delle cricche e di approfondire i meccanismi alla base della dissipazione dell'energia.
Dal riciclo al riuso diretto
La seconda caratteristica del materiale emerge alla fine del suo primo ciclo di utilizzo.
Dopo le prove meccaniche, i ricercatori hanno dissolto la matrice termoplastica a temperatura ambiente attraverso un processo controllato. Le unità di rinforzo così recuperate hanno conservato geometria e allineamento e, sottoposte a nuovi test, hanno mostrato proprietà di trazione comparabili a quelle delle unità vergini, con differenze contenute entro circa il 4%.
Le stesse unità sono state poi utilizzate per assemblare un nuovo composito, dimostrando la possibilità di un riuso diretto dei rinforzi.
La differenza rispetto al riciclo convenzionale è sostanziale: invece di trasformare nuovamente il materiale, si cerca di preservare un elemento strutturale mantenendone geometria, organizzazione e capacità portante.
«Per l'industria, il salto concettuale è passare dal materiale semplicemente riciclabile al componente progettato fin dall'inizio per una seconda vita – sottolinea Flavia Libonati. – In questa prospettiva, l'architettura non determina soltanto le prestazioni meccaniche: diventa parte della strategia di circolarità».
Dal laboratorio alle possibili applicazioni
Il materiale è oggi un dimostratore di laboratorio, non ancora un prodotto industriale.
I prossimi passi riguardano l'automazione e la scalabilità del processo produttivo, l'ottimizzazione della geometria e dell'orientamento dei rinforzi, la validazione con carichi complessi e ciclici e la valutazione ambientale ed economica dell'intero ciclo di vita.
Le possibili applicazioni riguardano diversi settori nei quali leggerezza, prestazioni meccaniche e sostenibilità dei materiali assumono particolare importanza: aerospazio, automotive, nautica e cantieristica navale, trasporto ferroviario, energia eolica, attrezzature sportive e produzione avanzata.
L'obiettivo è ora portare il principio bioispirato dalla scala del provino a quella del componente, verificandone prestazioni, producibilità, durabilità e possibilità di disassemblaggio in condizioni applicative reali.
Una ricerca sviluppata nei laboratori UniGe
Lo studio è stato realizzato da Alessandro Stagni, Nastaran Bahrami Novin, Luigi Benvenuto, con i docenti Enrico Lertora e Flavia Libonati, nei laboratori M3M – Multiscale Mechanics of Multifunctional Materials e Tecnologie, impianti e simulazione, entrambi afferenti al Dipartimento di ingegneria meccanica, energetica, gestionale e dei trasporti - DIME dell'Università di Genova.
La ricerca è stata coordinata da Flavia Libonati.
Articolo scientifico
A. Stagni, N. Bahrami Novin, L. Benvenuto, E. Lertora, F. Libonati, Bone-Inspired Recyclable Composites for Damage-Tolerant Circular Materials, Advanced Functional Materials (2026), e77881.
https://doi.org/10.1002/adfm.77881