Come il mondo alle prese con cambiamento climatico, abbiamo urgentemente bisogno di trovare modi per ridurre le nostre emissioni di CO? emissioni. Settori che dipendono fortemente dai combustibili fossili, come l'energia e aviazione, sono comunemente ritenuti i peggiori trasgressori. Ma ciò che la maggior parte delle persone non capisce è che c'è un altro colpevole, nascosto in bella vista; per le strade delle nostre città e negli edifici in cui viviamo e lavoriamo.

In 2007 sola, acciaio e cemento erano ciascuno responsabili di più CO? emissioni rispetto all’intera industria aeronautica mondiale. Prima di raggiungere il cantiere, sia l’acciaio che il cemento devono essere lavorati a temperature molto elevate – e questo richiede molta energia. Allora come possiamo ridurre la nostra dipendenza da questi materiali “sporchi”, quando svolgono un ruolo così cruciale nella costruzione?

Un'opzione è utilizzare materiali naturali, come il legno. Gli umani hanno costruito con legno per migliaia di annie le strutture in legno lo sono attualmente in fase di rinascita minore - in parte perché è un materiale economico e sostenibile.

Ma ce ne sono alcuni svantaggi di costruire con il legno; il materiale può deformarsi in condizioni umide ed è suscettibile all'attacco di parassiti come le termiti. E mentre i materiali naturali, come il legno, sono attraenti dal punto di vista ambientale, possono essere insoddisfacenti per gli ingegneri che potrebbero voler realizzare componenti in una forma o dimensione specifica.

Copiare la vita

E se invece di utilizzare materiali naturali come li troviamo, realizzassimo nuovi materiali ispirati alla natura? Questa idea ha iniziato a guadagnare terreno nella comunità di ricerca negli 1970 ed è davvero esplosa negli 1990, con lo sviluppo di metodi di nanotecnologia e nanofabbricazione. Oggi costituisce la base di un nuovo campo di ricerca scientifica: la "biomimetica" - letteralmente "la copia della vita".

Le cellule biologiche sono spesso indicate come "i mattoni della vita", Perché sono le più piccole unità di materia vivente. Ma per creare un organismo multi-cellulare come te o me, le cellule devono raggrupparsi insieme con una struttura di supporto per formare i materiali biologici di cui siamo fatti, tessuti come ossa, cartilagine e muscoli. Sono materiali come questi, a cui gli scienziati interessati alla biomimetica si sono ispirati.

Per produrre materiali biomimetici, dobbiamo avere una profonda comprensione di come funzionano i materiali naturali. Sappiamo che anche i materiali naturali sono "compositi": sono realizzati con più materiali di base diversi, ognuno con proprietà diverse. I materiali compositi sono spesso più leggeri dei materiali monocomponenti, come i metalli, pur avendo proprietà desiderabili come rigidità, resistenza e tenacità.

Realizzare materiali biomimetici

Gli ingegneri dei materiali hanno trascorso decenni a misurare la composizione, la struttura e le proprietà di materiali naturali come ossa e gusci d'uovo, quindi ora abbiamo una buona comprensione delle loro caratteristiche.

Ad esempio, sappiamo che l'osso è composto da proteine ​​idrate e minerali, in proporzioni quasi uguali. Il minerale conferisce rigidità e durezza, mentre la proteina conferisce tenacità e resistenza alla frattura. Sebbene le ossa possano rompersi, è relativamente raro e hanno il vantaggio di esserlo auto-guarigione - un'altra caratteristica che gli ingegneri stanno cercando di apportare ai materiali biomimetici.

Come l'osso, il guscio d'uovo è un materiale composito, ma contiene circa 95% minerale e solo 5% proteine ​​idratate. Tuttavia, anche quella piccola quantità di proteine ​​è sufficiente per rendere il guscio d'uovo molto resistente, considerando la sua magrezza, come la maggior parte dei cuochi della colazione avrà notato. La prossima sfida è trasformare questa conoscenza in qualcosa di solido.

Esistono due modi per imitare i materiali naturali. O puoi imitare la composizione del materiale stesso, oppure puoi copiare il processo con cui è stato realizzato il materiale. Poiché i materiali naturali sono realizzati da creature viventi, non vi sono alte temperature coinvolte in nessuno di questi metodi. Pertanto, i materiali biomimetici - chiamiamoli "neo-osso" e "neo-guscio d'uovo" - richiedono molta meno energia per la produzione rispetto all'acciaio o al cemento.

In laboratorio, siamo riusciti a fare campioni in scala centimetrica di neo-osso. Lo facciamo preparando diverse soluzioni di proteine ​​con i componenti che formano il minerale osseo. Un materiale neo-osso composito viene quindi depositato da queste soluzioni in modo biomimetico a temperatura corporea. Non vi è alcun motivo per cui questo processo - o una versione migliorata e più veloce di esso - non possa essere scalato a livello industriale.

Ovviamente acciaio e cemento sono ovunque, quindi il modo in cui progettiamo e costruiamo edifici è ottimizzato per questi materiali. Per iniziare a utilizzare materiali biomimetici su larga scala, dovremmo ripensare completamente i nostri codici e standard di costruzione per i materiali da costruzione. Ma poi, se vogliamo costruire città future in modo sostenibile, forse un grande ripensamento è esattamente ciò che è necessario. La scienza è ancora agli inizi, ma ciò non significa che non possiamo sognare in grande sul futuro.