Quando si tratta di costruire materiali resistenti e resilienti senza sprecare energia , pochi produttori umani possono competere con Madre Natura.
Una delle sue realizzazioni più intriganti è la madreperla, comunemente nota come madreperla, un materiale molto più forte della somma delle sue parti . “[Nacre] è effettivamente gesso, ma non si rompe come il gesso. Quando penso al gesso, penso a un materiale molto fragile e delicato”, afferma Robert Hovden , professore di scienze dei materiali all’Università del Michigan e uno dei ricercatori in uno studio sulla madreperla. L’anno scorso, il suo team ha scoperto nuove informazioni sulla struttura a livello nanometrico della madreperla che potrebbe aprire nuove frontiere nel mondo dei supermateriali di fabbricazione umana.
Lo studio , pubblicato su Proceedings of the National Academy of Sciences , si concentra sulla struttura della madreperla a livello di nanoscala: lunghezze di un miliardesimo di metro, anche più piccole di una lunghezza d’onda della luce. Utilizzando un microscopio elettronico, i ricercatori hanno notato che le incongruenze nella struttura in mattoni e malta della madreperla portavano a “correzioni” negli strati futuri. Quando uno strato madreperlaceo asimmetrico ha corrotto la simmetria della perla, gli strati futuri hanno “regolato” i loro spessori per rendere la perla più sferica.
Vongole e altri molluschi costruiscono le perle ricoprendo un “nucleo di perline” o un piccolo oggetto all’interno del sacco della perla, con minuscoli strati alternati di carbonato di calcio e proteine organiche. Questi strati compongono la madreperla. “A volte viene chiamato mattone e malta”, spiega Neil H. Landman , curatore emerito all’American Museum of Natural History di New York City. “I mattoni sono le tavolette madreperlacee [carbonato di calcio]; il mortaio sono i fogli organici tra le tavolette.
Hovden e altri sette ricercatori hanno analizzato la “periodicità” di questa struttura in mattoni e malta, o quanto fossero uniformi gli strati di madreperla. Hanno scoperto che uno strato errato, troppo spesso o troppo sottile, influiva su strati fino a 5,5 micron (5,5 milionesimi di metro) di distanza, creando ripetizioni su distanze di 8,5 micron che, tutte insieme, formavano una perla quasi simmetrica. I molluschi sembrano essere responsabili delle irregolarità che si verificano durante la costruzione delle perle. Gli spessori degli strati di madreperla variavano in media fino a 40 nanometri, ma non in modo casuale.
Gli strati rispecchiavano ciò che spesso accade in un sistema matematico noto come processo di Markov, afferma Hovden. I processi di Markov includono un elemento di casualità , in questo caso lo spessore dello strato madreperlaceo più esterno, ma che può essere influenzato dalla storia del sistema. (Esistono anche sistemi di Markov (senza memoria) – vedi sotto.) In una perla, lo spessore degli strati madreperlacei dipende in qualche modo dallo spessore degli strati che la precedono; gli strati spessi a volte generano strati sottili compensatori attorno a loro e la correlazione è più forte tra gli strati vicini. Questo modello è tipico dei sistemi che coinvolgono un processo di Markov.
I processi di Markov sono diffusi in natura. “È la stessa struttura che trovi nei battiti del cuore, nei terremoti , nel crollo dei castelli di sabbia, nei mercati economici, e ora aggiungiamo a questa lista la struttura delle perle”, dice Hovden. Questo corrisponde a ciò che gli scienziati già sapevano sulle perle, afferma Landman: I cambiamenti nel mondo esterno, come le stagioni, compaiono negli strati di una perla. “Le perle sono come gli anelli degli alberi”, dice. “Se tagli le perle, potresti ricostruire cosa sta succedendo nell’area in cui le perle si stavano formando forse centinaia di anni fa”.
Questi risultati intrigano ingegneri e ricercatori che cercano di ricreare materiali naturali desiderabili senza la produzione umana. Madre Natura può produrre perle in “condizioni fisiologiche”, afferma Shenqiang Ren , professore alla State University di New York a Buffalo. “Intendo pH neutro, temperatura ambiente e pressione ambiente.” La speranza è che gli esseri umani ottengano gli stessi risultati con gli stessi metodi sostenibili.
Quando gli esseri umani costruiscono con i mattoni, pianificano la costruzione per evitare irregolarità. “Un muratore esperto misura ogni strato e qualsiasi errore che potrebbe interrompere l’ordine periodico viene corretto attraverso linee e modelli premisurati”, afferma Hovden. I molluschi, tuttavia, non sembrano aver bisogno di una pianificazione per creare perle quasi perfette: “Sono cose piuttosto poco intelligenti. Eppure [le perle] hanno un’incredibile simmetria periodica”. dice Hovden.
Il gioco da tavolo Chutes and Ladders coinvolge i giocatori che corrono lungo un percorso numerato in base alla somma di un lancio di dadi. Se atterri in fondo a una scala, sali più in alto sulla tavola, mentre atterrando in cima a uno scivolo ti fa scivolare all’indietro. Il gioco apparentemente dipende dal caso a causa della sua dipendenza dai dadi, ma in realtà, Chutes and Ladders è un sistema stocastico chiamato catena di Markov assorbente, il che significa che solo una parte del sistema contiene casualità. Le catene di Markov assorbenti sono “senza memoria”. I lanci di dadi passati in Scivoli e Scale non influiscono sui risultati della mossa successiva, ma la posizione attuale di ciascun giocatore sì. Tirare un sette potrebbe farti avanzare di sette spazi in un caso, ma in un altro potrebbe mandarti più avanti se atterri su una scala, o indietro se atterri su uno scivolo. Il lancio dei dadi stesso mantiene la sua casualità,— Courtney Linder
Gli scienziati non comprendono ancora tutte le sfumature della produzione delle perle, ma Ren e il suo laboratorio stanno usando la madreperla come fonte di ispirazione per un materiale forte e leggero che può essere utilizzato in attrezzi come armature ed elmi . “Prima di replicare artificialmente quei materiali in strutture artificiali, [dobbiamo] capire quali processi determinano le loro proprietà fisiche microscopiche”, afferma Ren. Altre possibilità includono diatomee, un tipo di alga e materiali ispirati alle ossa.
Ma non troverai presto armature ispirate alla madreperla. Produrre un oggetto delle dimensioni di una perla è molto diverso dal produrre armature, dice Ren. “Ci sono ancora alcune domande fondamentali che devono essere affrontate per renderlo commercialmente fattibile”, spiega.
Nel frattempo, c’è molto da apprezzare sulle perle e altri materiali naturali come già lo sono. “Serendipity è semplicemente meravigliosa”, dice Hovden. “Stiamo [studiando biomateriali] dalla parte ormai da cinque anni, e devo ancora avere un progetto in cui non apri questo materiale e rimani scioccato dalla meraviglia”.