Abiti sportivi e caschi figli del guscio di un brachiopode?

Verso un utilizzo pratico della scoperta del perché la conchiglia “mutante” del Discinisca Tenuis sia elastica nell’acqua e rigida all’aria…

Un team di ricerca internazionale, con la partecipazione svizzera dell’Istituto Paul Scherrer di Villigen e Würenlingen, ha finalmente svelato il segreto del guscio di un particolarissimo animale marino.
I ricercatori argoviesi hanno infatti decifrato perché il rivestimento protettivo del brachiopode Discinisca Tenuis diventi estremamente… morbido in acqua e ritorni duro all’aria. E lo studio ha avuto una dignità tale da essere stato pubblicato sulla rivista “Nature Communications”.
Il Discinisca Tenuis vive sulla costa occidentale dell’Africa. Ha un guscio ricco di minerali, che lo protegge dalle influenze ambientali dannose.
Bagnare la conchiglia in acqua porta ad un cambiamento strutturale nel materiale: il guscio, piatto e duro, diventa così flessibile che può essere persino piegato senza che si rompa.
Con l’aiuto dell’infrastruttura della Swiss Light Source, i ricercatori del PSI hanno compreso esattamente come avviene la trasformazione della conchiglia di questo singolare brachiopode.

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Da un… lavaggio casuale allo stimolo per approfondire il tema

Il fenomeno è stato scoperto per caso qualche anno or sono da Fabio Nudelman, un chimico dei materiali attualmente in servizio presso la School of Chemistry dell’Università di Edimburgo, in Scozia.
Maggie Cusack, recentemente nominata presidente della Munster Technological University in Irlanda, aveva fornito al ricercatore alcuni dei gusci del brachiopode, originario della Namibia.
Quando si trovò a lavare quest’oggetto duro e robusto al tatto, si accorse che il Discinisca Tenuis diventava improvvisamente morbido e flessibile a contatto con l’acqua. Il guscio aveva assorbito il liquido e, quindi, modificato radicalmente la propria struttura. Il processo era tuttavia reversibile: quando la conchiglia si asciugava, diventava di nuovo rigida e fragile.
Insieme ai colleghi di ben sei Paesi, Fabio Nudelman ha cercato di scoprire che cosa avvenga esattamente durante questa trasformazione inaspettata.
All’Attività di studio hanno preso parte istituzioni di ricerca di diversi Nazioni: il menzionato Istituto Paul Scherrer, più il Politecnico Federale e l’Università di Zurigo, per la Svizzera; l’Università di Bayreuth e l’Istituto Bavarese dei Polimeri per la Germania; l’Università di Bologna per l’Italia; le Università di Edimburgo, di Cambridge e la Heriot-Watt nel campus di Riccarton per il Regno Unito; il Centro per i Nanomateriali Funzionali e il National Synchrotron Light Source II presso il Brookhaven National Laboratory di New York per gli USA; infine, l’Università Tecnologica Munster di Cork e Kerry per Irlanda.
“Nella sua composizione, il guscio assomiglia all’osso”, spiega. “Ma le ossa non cambiano la propria struttura quando si bagnano”.
Lo stesso vale per le vongole: se questi molluschi hanno bisogno di adattare le proprietà del loro guscio a diverse condizioni ambientali, normalmente devono rielaborare il materiale di cui la conchiglia è composta in un processo lungo ed energeticamente costoso, riassorbendo e ridistribuendo i minerali. Non funziona semplicemente attraverso l’assorbimento dell’acqua.

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Un materiale ibrido, con un “trucco speciale”, svelato dalla SLS

È stata la cosiddetta crio-tomografia, eseguita presso l’impianto Swiss Light Source in Svizzera, che “ha definitivamente aperto la porta alla possibilità di svelare il segreto”, dice Johannes Ihli, un ricercatore dell’Istituto Paul Scherrer presso la SLS.
Con questo esperimento, in Svizzera i ricercatori hanno esaminato il materiale come se fosse sotto un microscopio ad altissima risoluzione, e di fatto a temperature estremamente basse.
“A temperatura ambiente non sarebbe stato possibile, poiché la luce ad alta energia dei raggi X avrebbe immediatamente alterato la sensibile struttura del guscio”, spiega Ihli.
La conchiglia del brachiopode, spessa non più di mezzo millimetro, è costituita da un materiale ibrido: principalmente minerale inorganico, in cui sono incorporati polimeri organici fatti di proteine e zuccheri.
Le ossa, i gusci delle vongole e la dentatura umana sono strutturati in modo simile, con una miscela di materiale organico e inorganico.
Il minerale che costituisce il componente principale della conchiglia del Discinisca Tenuis è un tipo di fluoroapatite, simile al materiale che costituisce lo smalto dei nostri denti.
Minuscoli nanocristalli di questo materiale sono disposti a strati.

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Una struttura dell’involucro simile a un muro di mattoni

Fabio Nudelman li paragona a muri di mattoni: “In questa analogia, i mattoncini sono i nanocristalli, e la malta tra le pietre consiste in molecole organiche come la chitina e le proteine”.
Come hanno osservato gli scienziati in Argovia, questa “malta” può assorbire grandi quantità d’acqua, che la fa gonfiare. Attraverso l’accumulo di acqua, cambia la propria struttura: diventa morbida, e i mattoni diventano mobili l’uno rispetto all’altro.
“Poi l’acqua agisce come un lubrificante tra i singoli nanocristalli”, continua Ihli. “I cristalli possono quindi scivolare l’uno contro l’altro”. Attraverso questo movimento, il guscio diventa flessibile.
I ricercatori hanno trovato altresì una rete di pori nel guscio che è particolarmente efficace nel guidare l’acqua all’interno e nel distribuirla rapidamente in tutto il materiale.

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Un vantaggio evolutivo per reagire ai cambiamenti di marea?

La Discinisca Tenuis vive in grandi colonie nelle zone di marea sulla costa dove, a seconda dell’avanzare o del ritirarsi del mare, gli animali sono esposti a forti ondate o ad acque più calme.
I ricercatori ipotizzano che è probabilmente vantaggioso per i brachiopodi oggetto dello studio adattare rapidamente la morbidezza o la durezza del loro guscio alla rispettiva situazione:
“Questo potrebbe prevenire danni al guscio e quindi essere una chiave per la sopravvivenza degli animali”, scrivono nello studio.
Il fenomeno potrebbe anche essere più diffuso di quanto si pensi: “Non sappiamo quante altre specie animali ci possano essere che hanno questo tipo di proprietà”, aggiunge Nudelman.

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Applicazioni: dalla sostituzione delle ossa ai… capi di vestiario

A parte la ricerca puramente teorica sulla biologia e l’evoluzione, le nuove conoscenze acquisite sono interessanti anche per la scienza dei materiali.
Lo sviluppo di un elemento robusto e fragile la cui rigidità può essere controllata potrebbe essere promettente per molte applicazioni.
L’abbigliamento sportivo o i caschi, per esempio, potrebbero essere in grado di adattarsi in modo flessibile ai movimenti e offrire sempre la protezione necessaria a dipendenza dell’impatto.
Sfruttare questo fenomeno potrebbe rivelarsi utile anche nello sviluppo di materiali per la sostituzione delle ossa.

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