Esistono realmente materiali bio-ispirati? Uno studio in base ad alcune proprietà caratteristiche

di Teresa Carnevalee Carlo Santulli2

  • 1 Designer
  • 2 Scuola di Architettura e Design, Università degli Studi di Camerino

Oggigiorno sempre più materiali dichiarano di essere ispirati ai processi naturali (bio-ispirati), il che permette loro di conseguire qualità non ottenibili altrimenti nella progettazione ingegneristica dei materiali. Questo studio cerca di analizzare alcuni materiali che si dichiarano bio-ispirati e metterli a confronto con altri che conseguono funzionalità simili senza dichiarare la bio-ispirazione. I risultati della ricerca portano a ritenere che la biomimetica vada slegata da un’imitazione formale dei materiali naturali e piuttosto debba essere conseguenza di uno studio dello stesso fenomeno naturale, che porta alla stessa funzione, in una serie di specie differenti, allo scopo di portare ad una maggiore aderenza del materiale alle proprietà specifiche richieste. Lo studio nasce dall’elaborazione di considerazioni sulla bio-ispirazione, a partire dalla tesi dell’autrice svolta presso il politecnico di Torino.

INTRODUZIONE

La biomimesi, dal greco BIOS (vita) e MIMESIS (imitazione), è lo studio dei processi biologici e biomeccanici della natura, come fonte d’ispirazione per il miglioramento delle attività e tecnologie umane. Come evidenziato anche di recente da Lucia Pietroni (2015), “gli organismi naturali non sprecano, non producono rifiuti e utilizzano sempre la quantità minima di energia possibile per le loro attività”, in pratica giungendo efficacemente a progettare per cicli chiusi. Da questa considerazione, risulta evidente come l’applicazione della biomimetica alla progettazione possa presentare dei vantaggi non trascurabili per l’equilibrio ambientale, riducendo l’impatto delle attività di ogni giorno ed in particolare dell’utilizzo durante il loro periodo di servizio degli oggetti così ottenuti (Santulli 2012). In altre parole, si può discutere se questo metodo crei effettivamente artefatti bio-ispirati, che possano essere funzionalmente vantaggiosi e utilizzati nel quotidiano. A questo punto, si pone il problema del significato del termine “imitazione”, se questo cioè vada ricercato nel formalismo, legando in modo molto stretto la forma alla funzione. In realtà, perplessità su uno stretto legame tra forma e funzione sono state sollevate da più parti, per esempio in uno studio sui materiali biomimetici di Peter Fratzl (2007): di conseguenza, è ragionevole pensare che la via più diretta per ottenere strutture davvero bio-ispirate sia attraverso la riproduzione di qualità specifiche della struttura naturale.

Certamente, in natura è possibile trovare molti esempi di strutture ottimizzate e intelligenti, le cui qualità possono essere riprodotte a nostro beneficio con l’uso delle nuove tecnologie, giungendo a materiali con proprietà specifiche ed innovative.

Quali sono le caratteristiche che un materiale deve possedere per poter essere definito biomimetico? In primo luogo, l’applicazione della bio-ispirazione in un materiale deve effettivamente nascere dal tipo di progettazione seguito, che deve tendere a riprodurre una specifica qualità evidenziata da una o più specie naturali. In secondo luogo, poiché un materiale bio-ispirato s’intende generalmente anche sostenibile, esso dev’essere tale da non presentare un significativo impatto ambientale, per quanto riguarda il processo di produzione e le sostanze contenute. Se torniamo all’esempio di un prodotto che è un po’ l’applicazione prototipale delle idee biomimetiche, cioè il Velcro, dovuto a Georges de Mestral (De Mestral 1973), osserviamo che, benché non sia realizzato in un materiale biodegradabile né compostabile bensì normalmente in poliestere oppure in nylon, applica un principio biomimetico nel senso di riferirsi all’interazione che gli uncini dei semi della bardana maggiore hanno con i riccioli del pelo del cane, secondo la storia. Tuttavia, il termine Velcro (che è una fusione di “velours”, velluto, con “crochet”, che è uncino, ma anche uncinetto…) fa riferimento ad un’evoluzione di una forma di tessuto esistente, la cui principale caratteristica è quella di avere una trama e due differenti orditi, uno di fili più grossi e l’altro di fili più sottili e diritti o conformati ad anello, come chiarito anche dal brevetto del Velcro riportato in bibliografia. In realtà, come il nome dimostra, l’ispirazione biomimetica porta ad aggiungere al velluto gli uncini caratteristici della bardana. Il Velcro mantiene tuttavia una caratteristica importante, che è quella della monomaterialità, il che aggiunge in ogni caso un valore di sostenibilità.

In questo lavoro, si sono presi alcuni materiali che vengono indicati come biomimetici, cioè ispirati alla natura rispetto ad alcune caratteristiche ben precise, e si è cercato di valutare se effettivamente sia la bio-ispirazione che permetta ad essi di conseguire un significativo vantaggio rispetto ad altri competitori non bio-ispirati. Si è fatto questo nella consapevolezza che un prodotto bio-ispirato debba realmente sfruttare le “buone idee di design dalla natura”, come dalla fortunata definizione di Julian Vincent (Vincent 2009).

METODOLOGIA

Si è partiti da un’analisi dei materiali riportati sui database biomimetici (AskNature, Bionic2space e Biomimicry), sulla bibliografia di riferimento o definiti tali dall’azienda stessa che li produce, mettendoli a confronto con altri materiali aventi caratteristiche fisiche e progettuali simili, però non presentati come bio-ispirati. Più in particolare, si sono confrontate diverse tipologie di materiali selezionati, le cui qualità possono essere rispettivamente definite come: cangiante, traspirante, idrodinamico e idrofobico. In questi quattro tipi di materiali per effetto della bio-ispirazione si può conseguire rispettivamente un cambiamento di colore, il passaggio dell’aria attraverso il materiale, la capacità del materiale di assicurare una buona portanza durante la sua immersione ed infine la non bagnabilità a contatto con l’acqua. E’ evidente che tali effetti vengono conseguiti nella pratica, ma la questione è quanto la bio-ispirazione partecipi o addirittura sia determinante per l’ottenimento di questo risultato.

Allo scopo di approfondire la tassonomia di queste quattro classi di prodotti, ci si è soffermati sui due possibili metodi di progettazione, rispettivamente TOP DOWN (dall’alto, cioè partendo dalla funzione che il materiale nel suo complesso deve svolgere e orientando la sua microstruttura a questo scopo) e BOTTOM UP (dal basso, cioè iniziando a nanostrutturare il materiale con l’idea di giungere grazie a questo processo di gerarchizzazione ad un materiale adatto alla funzione). Il primo di tali metodi è più tipico delle strutture progettate dall’uomo, mentre l’altro è caratteristicamente presente nelle strutture naturali, anche se in realtà, in strutture particolarmente complesse, come nella mineralizzazione del collagene che comporta sovrapposizione di simmetrie a tripla elica, entrambe possono coesistere (Liu 2011).

La ricerca ha permesso di chiarire quali sono i parametri che possono permettere di validare la definizione di un materiale come “biomimetico”, cercando di esplicitare, nel caso che l’analisi effettuata dia un risultato positivo, il modo in cui esso si ispira alla natura. Nell’ipotesi che un materiale possa realmente definirsi biomimetico, si vuole evidenziare se e quali vantaggi offra lo studio e l’applicazione di questi materiali. A questo scopo, si è considerata l’efficacia del materiale nel rispondere ad una delle quattro caratteristiche sopra riportate e si è poi valutato quanto la soluzione bio-ispirata adottata permetta di ottenere tale proprietà in modo effettivamente più sostenibile.

I materiali analizzati rappresentano quelle che sono le funzioni naturali studiate più a fondo e che hanno ottenuto dei risultati in termini progettuali efficaci, come ribadito anche in seguito, e non vogliono assolutamente rappresentare la totalità dei prodotti che dichiarano di essere bio-ispirati, bensì un campione che riteniamo significativo.

MATERIALI ANALIZZATI

Per la proprietà cangiante troviamo la vernice biomimetica Chromaflair messa a confronto con tre tipologie differenti di materiale, la lamiera Dwall Iridium,  il plexiglas PMMA Radiant e il Vetro Dicroico; per la proprietà idrofobica i tre trattamenti superficiali GreenShield, Nanosphere e Mincor TXTT e la vernice Sto Lotusan, sono stati analizzati confrontandoli con il trattamento superficiale Cocoontec; per la proprietà traspirante il confronto è stato effettuato tra i tessuti biomimetici Goretex, Nikwax e C_Change e il tessuto non biomimetico Geox, mentre per la proprietà idrodinamica non è stato possibile effettuare nessun confronto, in quanto l’unico materiale bio-ispirato e non a presentare tali caratteristiche è il tessuto Fastskin.

Questi materiali sono stati confrontati attraverso quattro parametri:

  • -Sostanze, indica la composizione chimica;
  • -Tecnologia, indica il processo di trasformazione;
  • -Limiti, chiarisce quali sono i limiti di lavorazione e di applicazione;
  • -Attuali utilizzi, indica il campo di applicazione.

figura 1

Figura 1 – Schema generale di confronto

figura 2

Figura 2 – Maggiori dettagli sull’analisi dei materiali con proprietà traspirante

 

RISULTATI

Dall’analisi effettuata, che viene esposta nella Figura 1, il primo dato interessante che emerge è che la maggior parte delle bio-ispirazioni più efficienti nascono da un’imitazione del processo naturale, in particolare di specifici livelli di astrazione. Possiamo dire che sono stati scelti questi prodotti per il nostro esame in quanto comportano un’imitazione a diverso livello e sono in certo senso paradigmatici delle possibilità offerte, o meno, dalla bio-ispirazione. Non sono stati esaminati o prodotti troppo conosciuti, come il Velcro, del quale è senz’altro superfluo attestare la validità e funzionalità di prodotto, legata senz’altro, come si diceva sopra, alla semplicità del concetto di giunzione bio-ispirata, oppure prodotti sui quali, al di là della sicura pregnanza dell’ispirazione naturale, lo stato di ingegnerizzazione appare non chiaramente concluso o ancora parzialmente inefficace. Questo è il caso dei vari nastri adesivi o “colle”, ispirate con più o meno fedeltà al geco (Geckskin) o al geco ed al mollusco insieme (Geckel). Appare evidente che, al di là del supporto sintetico utilizzato, nel caso di questi prodotti un tecnopolimero, il principio naturale che dovrebbe muovere queste invenzioni, l’adesione di tipo elettrostatico per estrema partizione dell’area di contatto, come nel geco, e la formulazione di una colla proteinica, come nel caso dei molluschi, non è in realtà che idealmente seguito.

Al contrario, nei casi esaminati, il principio bio-ispirato appare più fedelmente elaborato. Nel caso della vernice Chromaflair si ha l’imitazione a livello morfologico strutturale della struttura nanometrica degli organismi, ispirata alla configurazione delle ali della farfalla Morpho. Per quanto riguarda l’effetto loto l’imitazione è puramente mantenuta a livello della strutturazione della superficie ed il riferimento alla specie è tutt’altro che vincolante, in quanto le superfici super-idrofobiche per sviluppo superficiale di cera epicuticulare sono largamente diffuse in natura: in certo qual modo, sarebbe un po’ come riferirsi direttamente ed unicamente alle piume del pavone nello sviluppare un prodotto che sfrutta il colore strutturale, altra proprietà diffusissima in natura (Gu 2003; Furstner 2005), discorso che si riprenderà nelle Conclusioni. Si ha invece un’imitazione a livello funzionale che copia le logiche di funzionamento dei sistemi naturali, nel caso del tessuto per costumi da bagno Fastskin la cui texture ricrea la funzione anti-attrito tipica della pelle degli squali, mentre si ha un’imitazione a livello comportamentale che imita l’atteggiamento degli organismi in determinate situazioni, come il tessuto-membrana C_Change che riproduce le dinamiche della pigna alle diverse temperature. Tutte queste considerazioni consentono di comprendere come non basti imitare la forma, ma piuttosto capire l’obiettivo che la natura si è posta nell’utilizzare quella conformazione e a che tipo di problema risponde, solo così l’ispirazione a questo livello può essere vantaggiosa.

Altro dato interessante emerso dalla ricerca è che alcuni dei materiali bio-ispirati risultano equivalenti sia nelle caratteristiche sia nella composizione a quelli usati per il confronto, in particolare nei tessuti traspiranti, la cui analisi viene riportata in maggior dettaglio in Figura 2, non è apprezzabile nessuna particolare variazione nei materiali utilizzati, tra i prodotti bio-ispirati e tradizionali, trattandosi sempre di fibre sintetiche di poliestere.

E’ importante dunque saper leggere i materiali presentati come biomimetici attraverso la giusta terminologia, saper distinguere le vere bio-ispirazioni, tramite l’analisi dei livelli di imitazione e di astrazione, dalle strategie di marketing. Infatti, l’idea che un materiale nasca dall’ispirazione naturale potrebbe influenzare il cliente nell’acquisto. Molte aziende non comunicano informazioni specifiche riguardo ai processi bio-ispirati che hanno portato alla realizzazione del materiale e spesso le motivazioni sono vaghe e poco convincenti. Per alcuni basta affermare che riproduce l’effetto loto, ma quanti materiali in passato sono stati creati riproducendo lo stesso effetto, ma ignari di imitare la foglia di loto? Associare la creazione di un materiale alla foglia di loto, a una farfalla o a uno squalo, non è forse un modo accattivante per promuoverlo? In tal senso si evince un’ambiguità di fondo che potrebbe deviare la comunicazione e confondere il cliente, che farebbe della strategia di marketing una proprietà aggiunta al materiale. Strategie proprie dell’azienda che, conoscendo il potere di mercato della parola biomimesi, la utilizza come strumento favorevole al proprio interesse.

Altro concetto ricorrente è che molto spesso la parola biomimesi è associata alla parola “sostenibilità”, ma dall’analisi effettuata, è emerso che nessuno dei materiali è ecocompatibile, infatti, molte delle sostanze di cui essi sono costituiti sono dannose se rilasciate nell’ambiente e i processi di trasformazione, come ad esempio le nanotecnologie, che sono un campo di applicazione recente e poco conosciuto, sono costose e poco si sa sull’impatto che esse hanno sull’ecosistema. Le aziende non dichiarano le sostanze contenute e questa mancanza a volte è colmata affermando che le informazioni sono un “segreto industriale”. E’ peraltro vero che in alcuni casi, dai risultati di ricerche effettuate nella letteratura scientifica, è possibile risalire alla elettrodeposizione di film polimerici superidrofobici, spesso a base di strutture fluorocarboniche (Kotzev 2002) o anche sostenibili e quindi per esempio basate per esempio sull’acido polilattico (Shi 2008). Sembra una conclusione abbastanza ragionevole quella di ritenere che in ogni caso la sostenibilità del materiale utilizzato non abbia una chiara influenza sul migliore ottenimento dell’effetto naturale richiesto.

CONCLUSIONI

Dalla ricerca effettuata si possono trarre alcune conclusioni, che ci appaiono utili sia per orientare meglio lo sviluppo di altri materiali bio-ispirati sia per permettere la più larga diffusione di quelli esistenti, specialmente in relazione ai vantaggi prospettati.

Appare innanzitutto essenziale la necessità di riconnettere la bio-ispirazione al vantaggio ottenibile: accade molto spesso un’attribuzione ad una singola specie, laddove invece ci sono processi che sono molto diffusi in natura, come il colore strutturale, ottenuto da minuscole nanoscaglie, che è tipico per esempio delle piume del pavone, ma anche dell’iridescenza delle conchiglie e per esempio del camuffamento del camaleonte. Anzi, va detto che lo stesso fenomeno può rispondere ad esigenze diverse. Quindi un primo aspetto può essere quello di svincolarsi dalla singola specie e piuttosto soffermarsi sul fenomeno generale, il che di per sé allontana già dal puro fenomeno di marketing e/o di “greenwashing”.

Un secondo, ed ancora più significativo aspetto, riguarda il fatto che il vantaggio possa non sussistere, malgrado il prodotto si presenti come bio-ispirato, o non sia attribuibile al formalismo della bio-ispirazione, il che può indicare la non totale attendibilità dell’analogia utilizzata. Per esempio, il tessuto che garantisce migliori prestazioni nel nuoto ispirandosi allo squalo forza per esempio l’analogia, supponendo erroneamente che il movimento natatorio dello squalo abbia una reale somiglianza con quello dell’utente.

Un invito finale che nasce da questo studio è la necessità di una maggiore considerazione fenomenologica della biomimetica, confrontando diverse specie che presentano lo stesso fenomeno (per esempio la super-idrofobicità per presenza di cera epicuticulare è caratteristica di tantissime piante e frutti: esempi tipici sono i cavoli, le prugne e l’uva). Questo consentirà di scegliere magari una bio-ispirazione meno legata ad una forma specifica, ma piuttosto ad una proprietà il più possibile generale, come per esempio il fatto che una maggiore asperità di una superficie, ma ottenuta con una sostanza poco rigida, come un polimero termoplastico, possa portare alla super-idrofobicità. Entro questi limiti, riteniamo che senz’altro i prodotti bio-ispirati possano avere una loro collocazione ed una loro importanza, non solo sul mercato, ma per il miglioramento della nostra esperienza di vita.

BIBLIOGRAFIA DI RIFERIMENTO

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