Le diatomee come progettisti? La natura al servizio dell’ingegneria dei materiali 

Cosa sono le diatomee?

Le diatomee sono alghe così piccole da risultare invisibili a occhio nudo; eppure sono uno dei tipi di alghe più produttivi dell’oceano e svolgono un ruolo chiave nel clima, attraverso la fotosintesi. Riescono ad assorbire grandi quantità di carbonio (CO_²) dall’ambiente e a convertirlo in sostanze nutritive, che utilizzano per alimentare la maggior parte delle forme di vita nell’oceano. Tuttavia, ancora poco si sa di come riescano a svolgere questo processo in modo così efficiente.

Questi minuscoli organismi presenti nell’oceano riescono ad immagazzinare dal 20 al 50% della CO₂ prodotta sulla Terra e rappresentano uno dei più importanti bioindicatori della qualità delle acque. Incredibilmente efficienti nel catturare la luce e purificare l’aria, hanno un’ottima capacità di filtraggio. Inoltre, il loro guscio protettivo ha caratteristiche meccaniche uniche: rappresenta infatti il materiale naturale con più alta resistenza rapportata al peso e la struttura protettiva, chiamata frustolo, ha notevoli proprietà di assorbimento energetico.

Le diatomee: un modello di multifunzionalità senza pari

Il frustolo delle diatomee presenta un’architettura gerarchica a più livelli, con una disposizione intricata di micro e nanopori che ottimizzano la resistenza strutturale, la dinamica dei fluidi che interagiscono con l’organismo vivente e l’assorbimento di luce solare. La loro organizzazione strutturale garantisce un equilibrio perfetto tra leggerezza, resistenza, galleggiamento, acquisizione di nutrienti, espulsione di scarti e conversione energetica per il sostentamento della cellula. Di conseguenza risultano uno straordinario modello di materiale multifunzionale.

L’architettura complessa e multiscala dei frustoli di diatomea ha incuriosito a lungo scienziati, ingegneri e anche artisti, ma fino ad oggi non erano state identificate in maniera univoca le strategie progettuali alla base del loro design, a causa della diversità delle decine di migliaia di specie osservate e della mancata comunicazione tra le molteplici discipline che studiano queste meraviglie acquatiche. 

Un team dell’Università di Genova, guidato da Flavia Libonati, in collaborazione con un team del Massachusetts Institute of Technology di Boston, guidato da Markus Buehler, ha dimostrato come questi capolavori microscopici possano portare innovazioni incredibili nella progettazione di materiali multifunzionali, fornendo una guida efficiente per la creazione di nuovi materiali e strutture o componenti con prestazioni senza precedenti. I risultati sono stati pubblicati di recente sulla prestigiosa rivista Advanced Functional Materials. Lo studio vede come co-autori anche Ludovico Musenich di UniGe come primo autore e Filippo Gallina e Daniele Origo del PoliMi.

Grazie a un approccio integrato che combina stampa 3D, simulazioni numeriche e analisi di fluidodinamica computazionale, il gruppo di ricerca ha sviluppato un nuovo prototipo di materiale strutturale multifunzionale dimostrando ancora una volta il ruolo chiave della natura come progettista di materiali per sistemi efficienti e customizzabili ed evidenziano il potenziale delle soluzioni presenti in natura per l'innovazione tecnologica.

Questi risultati possono fornire nuove idee per lo sviluppo di nuovi materiali e sistemi intelligenti capaci di svolgere più funzioni e aprire la strada a nuovi approcci biotecnologici per ridurre la CO₂ nell’atmosfera, per indicare lo stato di salute delle acque, per catturare la luce in modo efficiente, per sviluppare nuovi dispositivi di protezione.

L’approccio biomimetico adottato da UniGe e MIT

Grazie alla combinazione di test sperimentali in situ con simulazioni avanzate basate sul metodo degli elementi finiti e sulla fluidodinamica computazionale, i ricercatori hanno fatto luce su come le diatomee bilancino efficienza strutturale e fluidodinamica. 

Lo studio ha evidenziato tre aspetti chiave del design delle diatomee:

• effetto della progettazione gerarchica sulle prestazioni strutturali: l’organizzazione multiscala migliora il loro rapporto rigidezza-peso, garantendo leggerezza e resistenza e amplificando le proprietà dei vari sottosistemi che caratterizzano i frustoli;
• effetto della morfologia del frustolo sulle prestazioni strutturali: la geometria porosa e rinforzata distribuisce i carichi in manera ottimale, riducendo i picchi di stress e aumentando la durabilità dell’esoscheletro della diatomea;
• effetto della morfologia del frustolo sulle prestazioni fluidodinamiche: la struttura del frustolo ottimizza la gestione dei flussi di nutrienti e sostanze di scarto, massimizzando la sopravvivenza e proliferazione dell’organismo biologico. 

Utilizzando tecniche di manifattura additiva, il gruppo di ricerca ha trasferito questi principi cardine del design ottimizzato delle diatomee all’ingegneria rivelando un modello di materiale biomimetico multifunzionale all’avanguardia.

Applicazioni e prospettive future

L’architettura bioispirata riproduce fedelmente la multifunzionalità del modello biologico in termini strutturali e fluidodinamici, sfruttando i risultati di un’ottimizzazione evolutiva naturale. 

Questo design innovativo offre vantaggi significativi in applicazioni come calandre automobilistiche, per migliorare i flussi d’aria, riducendo il peso e aumentando la resistenza strutturale, membrane microporose per la cattura di CO₂, combinando alta porosità e robustezza meccanica per una gestione più efficace dei gas, sistemi di rilascio di farmaci, grazie a una porosità controllata che garantisce profili di rilascio precisi e maggiore durata, robotica soffice, sfruttando combinazioni di leggerezza e flessibilità per la realizzazione di attuatori fluidodinamici avanzati.

In particolare, ispirandosi a particolari aspetti morfologici di queste alghe e sfruttando l’intelligenza artificiale, ricercatrici e ricercatori UniGe hanno recentemente sviluppato un nuovo modello di materiale con prestazioni incredibili in termini di assorbimento energetico, capace di sostituire le attuali schiume o strutture a nido d’ape e hanno anche realizzato un nuovo concept di casco protettivo.

^{Lo studio Revealing Diatom-Inspired Materials Multifunctionality rientra nell’ambito del progetto BEST (Machine-learning driven design of BiomimEtic Self-sensing maTerials), del bando di Ateneo Curiosity driven 2020 finanziato dall'Unione Europea - NextGEneration EU, che supporta progetti di ricerca di base motivati dalla curiosità presentati da giovani ricercatrici e ricercatori ed è stato supportato anche dal MISTI (MIT International Science & Technology Initiatives) che supportato una collaborazione di lunga data tra i docenti.}