I nuovi materiali che imitano la natura

La ricerca sui nuovi materiali sta attraversando una fase di profondo cambiamento. Accanto ai processi chimici tradizionali si affermano approcci ispirati ai sistemi biologici, capaci di riprodurre strutture naturali con elevate prestazioni meccaniche e funzionali. Enti di ricerca e aziende stanno sviluppando polimeri e compositi che, grazie a queste strategie, aprono nuove prospettive in numerosi settori: dall’industria manifatturiera alla medicina, dall’edilizia all’aerospaziale. Vediamo allora meglio con Mauro Mazzei dell’Istituto di analisi dei sistemi ed informatica “Antonio Ruberti” (Iasi) del Cnr cos’è la biomimetica: “È la disciplina che studia i principi e le soluzioni sviluppate dalla natura per applicarli alla progettazione di materiali, strutture e sistemi artificiali. Si basa sull’idea che milioni di anni di evoluzione abbiano ottimizzato forme e funzioni, offrendo modelli di efficienza e sostenibilità”.

Passare dall’osservazione di un materiale naturale alla realizzazione di uno sintetico implica uno studio approfondito delle proprietà meccaniche, chimiche e strutturali del modello biologico. “I ricercatori analizzano forma, composizione e organizzazione microscopica, per poi tradurre questi principi in materiali artificiali capaci di replicarne le prestazioni, spesso migliorandone la resistenza, la leggerezza o la sostenibilità. Il processo parte dall’analisi delle proprietà fisiche, chimiche e strutturali del materiale naturale; si identificano i meccanismi chiave e si traducono in parametri ingegneristici. Da qui si sviluppano modelli digitali e si scelgono tecniche di fabbricazione compatibili”, continua l’esperto.

L’informatica gioca un ruolo cruciale nel processo di biomimetica, permettendo di trasformare le osservazioni dei materiali naturali in modelli digitali replicabili. “L’informatica consente di acquisire dati tramite imaging 3D, simulazioni numeriche e algoritmi di ottimizzazione. Questi strumenti trasformano geometrie complesse e proprietà fisiche in modelli computazionali, riducendo errori e accelerando la fase di progettazione. Ci sono casi in cui il modello digitale suggerisce soluzioni diverse da quelle naturali, ma comunque efficaci: gli algoritmi possono proporre strutture alternative che mantengono le stesse funzioni, ma con geometrie più semplici o materiali più economici. In alcuni casi, queste soluzioni superano le prestazioni naturali in termini di resistenza o leggerezza”, prosegue Mazzei.

Esistono materiali biomimetici progettati con l’aiuto dell’Intelligenza Artificiale (AI), che sfuggono all’immaginazione umana, gli algoritmi, infatti, possono combinare proprietà e strutture naturali in modi inediti, generando materiali sintetici con caratteristiche tali che l’uomo difficilmente riuscirebbe a concepire basandosi solo sull’esperienza e sulla sperimentazione tradizionale. “L’AI, attraverso tecniche generative, ha creato strutture reticolari e compositi caratterizzati da pattern complessi, che non derivano da un’imitazione diretta di materiali naturali, ma da principi evolutivi astratti. In pratica, gli algoritmi analizzano schemi che la natura ha sviluppato nel tempo e li combinano in configurazioni nuove, ottimizzando resistenza, leggerezza e funzionalità e realizzando materiali sintetici che, in molti casi, risultano più performanti di quelli naturali, con la possibilità di aprire prospettive innovative per l’industria, l’ingegneria e la medicina. L’Intelligenza Artificiale, inoltre, analizza enormi dataset di proprietà naturali e sintetiche, individuando correlazioni e suggerendo combinazioni innovative di elementi e strutture che imitano la natura ma con caratteristiche potenziate. Genera modelli ottimizzati e, in sinergia con la stampa 3D, può realizzare geometrie complesse impossibili da creare con metodi tradizionali, riducendo tempi e costi di prototipazione”, chiarisce l’ingegnere.

Ma come si replica l'efficienza dei materiali naturali? “Si utilizzano strategie di progettazione gerarchica, come quelle presenti in ossa o conchiglie, e si impiegano algoritmi evolutivi per ottimizzare peso, resistenza e flessibilità. L’obiettivo è ottenere il massimo rendimento con il minimo impiego di risorse. Rispetto ai materiali convenzionali, quelli biomimetici offrono leggerezza, resistenza e capacità di auto-riparazione. Inoltre, possono essere progettati per adattarsi a condizioni variabili, cosa che i materiali tradizionali non fanno”, risponde Mazzei

Creare un prototipo biomimetico in laboratorio è relativamente semplice, ma trasformarlo in un prodotto industriale è molto più complesso. “La difficoltà principale è mantenere le stesse proprietà del prototipo (resistenza, leggerezza, funzionalità) quando si producono migliaia di pezzi. Inoltre, bisogna garantire uniformità di qualità, ridurre i costi e utilizzare processi compatibili con la produzione di massa. Questo richiede tecnologie avanzate, come stampa 3D industriale, automazione e materiali che possano essere lavorati su larga scala senza perdere le caratteristiche biomimetiche”, spiega il ricercatore.

La biomimetica ci aiuta anche a creare materiali più ecologici, ispirandosi a soluzioni naturali che ottimizzano l’uso delle risorse, riducono gli sprechi e favoriscono processi di produzione che richiedono meno energia. In questo modo è possibile sviluppare prodotti e strutture più sostenibili senza rinunciare a prestazioni elevate. “Ispirandosi alla natura, si progettano materiali riciclabili, biodegradabili e con cicli produttivi a basso impatto. Questo approccio favorisce l’economia circolare e riduce gli scarti industriali”, sottolinea Mazzei.

Si potrebbe affermare che esistono materiali biomimetici superiori a quelli naturali. “I materiali biomimetici integrano strutture biologiche con soluzioni progettuali innovative e processi di fabbricazione avanzati. Possono offrire proprietà meccaniche, termiche o funzionali più elevate rispetto ai modelli naturali, dimostrando come l’ingegneria possa ampliare le capacità della natura senza contraddirne i principi fondamentali. Ne sono esempio le fibre ispirate alla seta di ragno, che sono più resistenti rispetto all'originale, oppure i rivestimenti idrofobici, che risultano superiori alle foglie di loto, e le strutture reticolari più leggere rispetto alle ossa naturali”, conclude l’ingegnere del Cnr-Iasi.

Dalla natura, dunque, arrivano i modelli che l’ingegno umano trasforma in innovazione, i materiali biomimetici non si limitano infatti a imitare ciò che esiste, ma reinterpretano strutture e principi biologici, aprendo la strada a soluzioni più resistenti, leggere e sostenibili. Spesso, per costruire il futuro, è sufficiente guardare con attenzione al mondo che ci circonda.

Fonte: Mauro Mazzei, Istituto di analisi dei sistemi ed informatica “Antonio Ruberti”, mauro.mazzei@cnr.it