Un team di ingegneri è riuscito a raddoppiare la rigidità di un materiale ispirandosi alla crescita dei funghi. Una strada promettente verso materiali sostenibili e leggeri.
Questi funghi sono più resistenti del metallo
Un gruppo di ingegneri della Binghamton University e della UC Merced ha scoperto che la chiave per creare materiali più resistenti e leggeri potrebbe risiedere nella struttura interna dei funghi. Studiando come i filamenti microscopici chiamati ife si organizzano all’interno di diverse specie, i ricercatori sono riusciti a simulare reti che cambiano resistenza a seconda dell’orientamento delle loro fibre. Questo apre la strada a materiali bioispirati che non richiedono nuovi composti, ma solo un’architettura più intelligente.
La scoperta, pubblicata su Advanced Engineering Materials, rivela che i funghi non sono solo organismi affascinanti dal punto di vista biologico, ma offrono anche preziose lezioni per l’ingegneria. In particolare, lo studio si è concentrato su due tipi di funghi: il fungo bianco, con una disposizione casuale delle ife, e il maitake, la cui struttura interna ha un orientamento definito. Questo semplice cambiamento nell’ordine interno genera una differenza radicale nelle loro proprietà meccaniche.
I risultati sono stati sorprendenti: senza aggiungere nuovi componenti né modificare la composizione chimica, i ricercatori sono riusciti a raddoppiare la rigidità del materiale nelle loro simulazioni al computer. Il segreto sta nel modo in cui sono orientati i filamenti microscopici che formano la struttura, un principio con potenziali applicazioni in campi come l’aviazione, la medicina o la progettazione di imballaggi sostenibili.
Il fungo maitake ha una struttura interna orientata che gli permette di resistere a una maggiore pressione in determinate direzioni.
Ifi: i filamenti invisibili che sostengono il fungo (e forse il futuro dell’ingegneria)
I funghi sono costituiti da ife, sottili filamenti di cellule fungine che crescono formando reti dense e complesse. Sebbene invisibili a occhio nudo, queste strutture sono in grado di formare corpi fruttiferi come i funghi e di conferire loro una sorprendente resistenza strutturale. Alcune specie, infatti, possono farsi strada anche attraverso il cemento per emergere in superficie.
In laboratorio, i ricercatori hanno estratto tutta l’acqua dai funghi per concentrarsi sulla loro architettura interna senza che l’umidità influenzasse i risultati.
Hanno quindi utilizzato la microscopia elettronica e prove di compressione per valutare la resistenza dei diversi tipi di ife quando sottoposte a pressione da diverse angolazioni. In questo modo, hanno verificato che non tutti i funghi sono uguali all’interno.
Il maitake ha rubato la scena: le sue ife più spesse e allineate in una direzione specifica gli conferivano una resistenza molto maggiore quando veniva applicata una forza nella stessa direzione. Al contrario, i funghi bianchi, con le loro ife orientate in modo casuale, mostravano la stessa morbidezza indipendentemente dalla direzione in cui venivano schiacciati. L’orientamento del tessuto, più che la sua composizione, faceva la differenza.
Modellare il futuro: dalla foresta alle simulazioni 3D
Per verificare se questa organizzazione influiva davvero così tanto, il team ha costruito modelli computazionali in 3D utilizzando strutture note come tessellature di Voronoi. Queste reti digitali imitano il modo in cui le ife si connettono e consentono di simulare cosa succede quando vengono applicate forze esterne da diverse angolazioni.
Le simulazioni hanno rivelato che, cambiando l’orientamento dei filamenti da orizzontale a verticale, la rigidità del materiale quasi raddoppiava. In altre parole, senza cambiare un solo ingrediente, ma solo riorganizzando gli elementi, era possibile ottenere un materiale molto più resistente. E in alcuni angoli intermedi, come i 60 gradi, il comportamento era simile a quello dei funghi con ife casuali.
Questa scoperta ha un potenziale rivoluzionario: potrebbe consentire la progettazione di strutture resistenti, leggere e sostenibili senza la necessità di utilizzare materiali costosi o difficili da riciclare. Invece di cercare nuove sostanze, basterebbe copiare il modello nascosto in natura.
A differenza del maitake, il fungo bianco ha ife distribuite in modo casuale, il che lo rende morbido in qualsiasi direzione.
Oltre il laboratorio: a cosa servono i materiali ispirati ai funghi?
Lo studio suggerisce che una riconfigurazione strategica del design interno può sostituire processi chimici complessi o l’uso di materiali compositi. Ciò è particolarmente rilevante per l’industria aerospaziale, dove ogni grammo conta e i materiali devono sopportare forze in direzioni specifiche. Un’ala di un aereo o un satellite potrebbero trarre vantaggio da questa strategia naturale.
In medicina, l’idea di copiare l’architettura dei funghi potrebbe essere applicata alla produzione di protesi, dove la rigidità deve essere regolata per imitare l’osso umano senza essere né troppo fragile né eccessivamente rigida. Consentirebbe inoltre di personalizzare i dispositivi medici in base alle esigenze di ciascun paziente.
Inoltre, le aziende che lavorano con materiali biodegradabili, come la pelle di micelio o gli imballaggi a base di funghi, potrebbero migliorare i loro prodotti senza cambiare la materia prima.
Controllando la direzione di crescita delle ife durante la coltivazione, potrebbero produrre oggetti con proprietà meccaniche specifiche, più durevoli o più flessibili a seconda delle esigenze.
Cosa possono insegnarci i funghi sulla sostenibilità
Al di là dell’innovazione tecnica, questo lavoro solleva una riflessione più profonda: la natura ha già risolto molte delle sfide che affrontiamo nell’ingegneria odierna. I funghi, con la loro rete di ife microscopiche, ci ricordano che l’organizzazione interna può essere determinante quanto i materiali stessi.
Il micelio, la parte sotterranea del fungo, ha catturato l’interesse di designer, architetti ed ecologisti per la sua capacità di creare strutture resistenti, biodegradabili e adattabili. Questo nuovo studio fa un passo avanti, fornendo la base scientifica per comprendere come queste proprietà emergono dall’interno.
Come ha affermato Mir Jalil Razavi, dell’Università di Binghamton e uno degli autori dello studio: Stiamo appena iniziando a imparare ciò che la natura può insegnarci. Forse, osservando attentamente un fungo, stiamo sbirciando i progetti dei materiali del futuro.
