O echipă de ingineri a reușit să dubleze rigiditatea unui material inspirându-se din modul în care cresc ciupercile. O cale promițătoare către materiale durabile și ușoare.
Cuprins
Oamenii de știință au folosit modele computerizate de tip Voronoi pentru a simula rețelele fungice și a le testa rezistența din diferite unghiuri.
Un grup de ingineri de la Universitatea Binghamton și UC Merced a descoperit că cheia pentru crearea unor materiale mai rezistente și mai ușoare ar putea fi structura internă a ciupercilor. Studiind modul în care filamentele microscopice numite hife se organizează în cadrul diferitelor specii, cercetătorii au reușit să simuleze rețele care își schimbă rezistența în funcție de orientarea fibrelor. Acest lucru deschide calea către materiale bioinspirate care nu necesită compuși noi, ci doar o arhitectură mai inteligentă.
Descoperirea, publicată în Advanced Engineering Materials, relevă faptul că ciupercile nu sunt doar organisme fascinante din punct de vedere biologic, ci oferă și lecții valoroase pentru inginerie. Studiul s-a concentrat în special pe două tipuri de ciuperci: ciuperca albă, cu o dispunere aleatorie a hifelor, și maitake, a cărei structură internă are o orientare definită. Această simplă schimbare a ordinii interne generează o diferență radicală în proprietățile lor mecanice.
Rezultatele au fost surprinzătoare: fără a adăuga noi componente și fără a modifica compoziția chimică, cercetătorii au reușit să dubleze rigiditatea materialului în simulările lor computerizate. Secretul stă în modul în care sunt orientate firele microscopice care formează structura, un principiu cu aplicații potențiale în domenii precum aviația, medicina sau proiectarea ambalajelor durabile.
Ciuperca maitake are o structură internă orientată care îi permite să reziste la o presiune mai mare în anumite direcții.
Hifele: firele invizibile care susțin ciuperca (și poate viitorul ingineriei)
Ciupercile sunt formate din hife, fire fine de celule fungice care cresc formând rețele dense și complexe. Deși invizibile cu ochiul liber, aceste structuri sunt capabile să formeze corpuri fructifere precum ciupercile și să le confere o rezistență structurală surprinzătoare. Unele specii pot chiar să-și croiască drum prin beton pentru a ieși la suprafață.
În laborator, oamenii de știință au extras toată apa din ciuperci pentru a se concentra asupra arhitecturii lor interne, fără ca umiditatea să influențeze rezultatele.
Apoi, au folosit microscopia electronică și teste de compresie pentru a evalua cât de rezistente erau diferitele tipuri de hife atunci când se aplica presiune din diferite unghiuri. Astfel, au verificat că nu toate ciupercile sunt la fel în interior.
Maitake a furat show-ul: hifele sale mai groase și aliniate într-o direcție specifică îi conferă o rezistență mult mai mare atunci când se aplică forță în aceeași direcție. În schimb, ciupercile albe, cu hifele orientate aleatoriu, au prezentat aceeași moliciune indiferent de direcția din care erau apăsate. Orientarea țesutului, mai mult decât compoziția sa, a făcut diferența.
Modelarea viitorului: de la pădure la simulări 3D
Pentru a verifica dacă această organizare avea o influență atât de mare pe cât părea, echipa a construit modele computerizate 3D folosind structuri cunoscute sub numele de teselări Voronoi. Aceste rețele digitale imită modul în care se conectează hifele și permit simularea a ceea ce se întâmplă atunci când se aplică forțe externe din diferite unghiuri.
Simulările au arătat că, atunci când orientarea filamentelor era schimbată de la orizontală la verticală, rigiditatea materialului aproape se dubla. Adică, fără a schimba niciun ingredient, doar reorganizând elementele, se putea obține un material mult mai rezistent. Și la anumite unghiuri intermediare, cum ar fi 60 de grade, comportamentul era similar cu cel al ciupercilor cu hife aleatorii.
Această descoperire are un potențial revoluționar: ar putea permite proiectarea de structuri puternice, ușoare și durabile fără a fi nevoie de materiale costisitoare sau dificil de reciclat. În loc să căutăm noi substanțe, ar fi suficient să copiem modelul ascuns în natură.
Spre deosebire de maitake, ciuperca albă are hife distribuite aleatoriu, ceea ce o face la fel de moale în orice direcție. Ilustrație artistică.
Dincolo de laborator: la ce servesc materialele inspirate de ciuperci?
Studiul sugerează că o reconfigurare strategică a designului intern poate înlocui procesele chimice complexe sau utilizarea materialelor compozite. Acest lucru este deosebit de relevant pentru industria aerospațială, unde fiecare gram contează și materialele trebuie să reziste la forțe în direcții specifice. O aripă de avion sau un satelit ar putea beneficia de această strategie naturală.
În medicină, ideea de a copia arhitectura ciupercilor ar putea fi aplicată în fabricarea protezelor, unde rigiditatea trebuie ajustată pentru a imita osul uman, fără a fi nici prea fragilă, nici excesiv de rigidă. De asemenea, ar permite personalizarea dispozitivelor medicale în funcție de nevoile fiecărui pacient.
În plus, companiile care lucrează cu materiale biodegradabile, cum ar fi pielea din miceliu sau ambalajele pe bază de ciuperci, ar putea să-și îmbunătățească produsele fără a schimba materia primă.
Controlând direcția de creștere a hifelor în timpul cultivării, ar putea fabrica obiecte cu proprietăți mecanice specifice, mai durabile sau mai flexibile, în funcție de necesități.
Provocarea simplificării complexității
Deși rezultatele sunt promițătoare, echipa recunoaște anumite limitări. De exemplu, experimentele au fost realizate cu ciuperci uscate, ceea ce nu reflectă complet comportamentul acestora în stare naturală. În plus, variabilitatea dintre ciupercile reale și simplificările necesare pentru modelele digitale ar putea omite anumiți factori.
Cu toate acestea, faptul că structuri atât de simple precum hifele pot explica variații atât de mari în rezistența unui material oferă un teren fertil pentru cercetări viitoare. Una dintre chei este explorarea altor direcții de efort, dincolo de compresia verticală testată în acest studiu.
Vestea bună este că designul bioinspirat nu mai trebuie să fie intuitiv sau experimental. Cu modele precum cele dezvoltate de această echipă, inginerii ar putea prezice cu precizie comportamentul unui material înainte de a-l construi, economisind timp, bani și resurse.
Hifele, acele filamente invizibile care formează ciupercile, pot inspira noi materiale puternice, ușoare și biodegradabile.
Ce ne pot învăța ciupercile despre sustenabilitate
Dincolo de inovația tehnică, această lucrare ridică o reflecție mai profundă: natura a rezolvat deja multe dintre provocările cu care ne confruntăm în ingineria actuală. Ciupercile, cu rețeaua lor de hife microscopice, ne reamintesc că organizarea internă poate fi la fel de decisivă ca materialele în sine.
Miceliul — partea subterană a ciupercii — a captat interesul designerilor, arhitecților și ecologiștilor datorită capacității sale de a crea structuri rezistente, biodegradabile și adaptabile. Acest nou studiu merge un pas mai departe, oferind baza științifică pentru a înțelege cum apar aceste proprietăți din interior.
Așa cum a spus Mir Jalil Razavi, de la Universitatea din Binghamton și unul dintre autorii studiului: Abia începem să învățăm ce ne poate învăța natura. Poate că, observând cu atenție o ciupercă, spionăm planurile materialelor viitorului.
