La curiosa forza dello scheletro di vetro di una spugna marina
Nel 1841, il biologo inglese Richard Owen rimase meravigliato dall'intricato scheletro di una nuova specie di spugne marine trovate vicino alle Filippine. Assomigliava a "una delicata cornucopia", scrisse, tessuta con "fili rigidi, luccicanti ed elastici, che ricordavano i peli più fini del vetro filato". Lo scheletro è infatti fatto di vetro, che l'animale, Euplectella aspergillum – soprannominato “cesto di fiori di Venere”, – crea utilizzando l'acido estratto dall'acqua di mare.
Gli scienziati si meravigliano ancora di questa spugna 180 anni dopo. Le sue proprietà notevoli includono la straordinaria longevità – si pensa che alcune spugne di vetro vivano per molte migliaia di anni, collocandole tra gli animali più longevi – e la capacità di incanalare la luce attraverso i suoi fili di silice alla maniera delle fibre ottiche. Negli ultimi due decenni, un gruppo di biologi, scienziati dei materiali e ingegneri dell'Università di Harvard si è concentrato sulla caratteristica del cesto di fiori di Venere che ha attratto Owen: il design intricato del suo scheletro di vetro. Il loro lavoro recente rivela che lo scheletro è, per ragioni sconosciute, eccezionalmente forte, quasi il più indistruttibile possibile per questo tipo di struttura.
"È una sorta di sacro graal della progettazione ingegneristica", ha detto Dhruv Bhate , professore associato di ingegneria presso l'Arizona State University che studia il cesto di fiori di Venere ma non è coinvolto nel lavoro del team di Harvard.
La forza dello scheletro deriva dal suo peculiare reticolo, che per la prima volta ha incuriosito la scienziata e chimica dei materiali di Harvard Joanna Aizenberg circa 20 anni fa. Anche Katia Bertoldi , uno dei coautori di Aizenberg sui recenti studi, è rimasta affascinata dal motivo a reticolo non appena l'ha visto. "È questa architettura periodica, ma non è semplice", ha detto Bertoldi. Lei e i suoi colleghi si chiedevano: "Perché questa particolare architettura?"
Hanno notato che le travi di vetro che formano lo scheletro del cesto di fiori di Venere hanno molto in comune con le capriate, gli assemblaggi di travi utilizzati per stabilizzare ponti e grattacieli. Per oltre un secolo, il design preferito dagli ingegneri per le capriate è stato un robusto reticolo costituito da una griglia quadrata con diagonali che corrono in entrambe le direzioni per un maggiore supporto. "Lo facciamo allo stesso modo da molto, molto tempo", ha detto Matheus Fernandes , uno studente laureato del team. Lo scheletro del cesto di fiori di Venere, tuttavia, ha coppie di diagonali che corrono in entrambe le direzioni piuttosto che le singole diagonali che intersecano una tipica travatura. Queste coppie sono distanziate in modo che la griglia assomigli a una scacchiera, con diagonali che attraversano ogni quadrato.
I ricercatori hanno fabbricato e simulato al computer un reticolo basato sulla spugna e lo hanno confrontato con altre tre strutture reticolari dello stesso peso, incluso il modello a traliccio standard. In simulazioni ed esperimenti, hanno visto il reticolo bioispirato resistere alla maggior parte dello stress, prima dalla compressione in una direzione e poi dalle pressioni opposte in tre punti in un altro test, prima di rompersi. In ulteriori simulazioni, hanno variato il numero di diagonali, nonché la spaziatura e lo spessore per trovare il reticolo che potesse sostenere la compressione maggiore. Si è scoperto essere quello modellato sulla spugna.
Con le sue diagonali aggiuntive, il reticolo della spugna ha più giunti rispetto a un traliccio tradizionale e una distanza minore tra le articolazioni, il che può consentire alla struttura di sostenere una maggiore compressione prima di deformarsi, ha detto Fernandes. Il team ha dettagliato le loro scoperte iniziali sulla forza dello scheletro in Nature Materials a settembre. Secondo James Weaver , un altro coautore, sono in corso "immersioni più profonde" in diversi aspetti di questi scheletri vitrei.
I ricercatori stanno anche perseguendo un brevetto per il reticolo ispirato alla spugna che hanno creato. Aggiungere più forza alle strutture architettoniche senza aggiungere più peso potrebbe teoricamente consentire ponti più lunghi, infrastrutture più leggere che sono più facili da trasportare o un'ingegneria ancora più snella nei veicoli destinati allo spazio. "Il processo di tentativi ed errori nel corso di milioni di anni di evoluzione tira fuori il meglio" nei materiali, ha detto Pablo Zavattieri , professore di ingegneria civile alla Purdue University.
Tuttavia, nel caso del cesto di fiori di Venere, lo scopo evolutivo della sua incomprimibilità non è chiaro.
Le spugne vivono spesso a migliaia di metri di profondità dove la pressione dell'acqua è estrema, ma questa pressione proviene da tutte le direzioni, premendo ugualmente sui lati opposti delle travi di vetro e annullandosi. La spugna non subisce una "forza schiacciante", ha spiegato Clint Penick , un biologo della Kennesaw State University in Georgia, via e-mail.
Penick ha detto che la spugna ha bisogno di una struttura forte, tuttavia, per alzarsi e filtrare il plancton dall'acqua. Deve anche contenere un paio di gamberetti che spesso popolano permanentemente la spugna una volta che diventano troppo grandi per lasciarla. (Questi occupanti si sono guadagnati lo status di spugna come simbolo dell'amore eterno in Giappone, dove viene data come regalo di nozze.) I loro robusti scheletri possono anche scoraggiare i predatori o prevenire danni da animali che potrebbero scontrarsi con loro, ha aggiunto Penick, sebbene nessuno di questo spiega appieno la loro ultra robustezza.
La forza bruta non è tutto ciò che offre il cesto di fiori di Venere. Le pareti reticolari del suo scheletro sono solo uno dei diversi livelli di complessità nella sua struttura. Ingrandisci per vedere come le sue fibre possono spostarsi leggermente all'interno delle sue pareti reticolari, o come la sua disposizione di proteine e molecole di silice ferma le fratture nelle loro tracce . Zoom indietro per esaminare come lo scheletro di pizzo consente alla spugna vivente di filtrare l'acqua. Il team di Bhate sta indagando sul modo in cui alcuni dei fili non sono completamente attaccati agli altri, consentendo la flessibilità dello scheletro, ed è curioso di sapere come la struttura resisterebbe alla torsione.
"È una di quelle cose su cui puoi spendere una vita e non hai ancora replicato tutte queste capacità", ha detto Bhate. "Ed è per questo che è eccitante."
Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/the-curious-strength-of-a-sea-sponges-glass-skeleton-20210111/ in data Mon, 11 Jan 2021 16:30:45 +0000.