Il vibranio

Milioni di anni fa, un meteorite cadde sul suolo africano, alterando l’ecosistema circostante. Fortunatamente, non era lo stesso meteorite che (secondo molti) portò all’estinzione dei dinosauri, ma era un corpo celeste metallico con proprietà straordinarie. Questo è quanto viene raccontato nell’Universo Marvel, che narra la storia di un popolo africano (i wakandiani) nascosto agli occhi del mondo e tecnologicamente molto avanzato. Grazie al loro ingegno, i wakandiani riuscirono a lavorare il metallo extraterrestre e a realizzare una lega dalle proprietà fisiche, chimiche e meccaniche fuori dal comune: il Vibranio, un materiale capace di assorbire, accumulare e rilasciare un’enorme quantità di energia cinetica. Queste caratteristiche lo rendono il candidato perfetto per scopi bellici/difensivi, tanto da essere usato per creare la tuta di Black Panther e lo scudo di Capitan America.

Ma è realmente possibile creare il Vibranio nel mondo reale?

La ricerca scientifica sta facendo dei passi da gigante nel mondo dei materiali e non siamo poi così lontani dalla creazione di un materiale simile al Vibranio. L’interesse per la creazione di materiali leggeri e resistenti a impatto, muove proprio in settori come quello automobilistico e spaziale/aerospaziale, in cui è necessario creare strutture capaci di garantire la sicurezza dei passeggeri e dei veicoli perché il rischio di scontri è molto elevato. Ecco che i materiali avanzati possono essere adoperati per la creazione di paraurti, giubbotti antiproiettile, caschi, fusoliere di aerei o shuttle, tessuti…A tal proposito, la ricerca scientifica pone la sua attenzione sullo studio dei materiali compositi. L’HTT (Hyperloop Transportation Technologies), l’azienda che realizzerà il treno più veloce della storia (Hyperloop), ha creato un materiale composito straordinario e lo ha battezzato Vibranio. La loro creazione è 10 volte più resistente dell’acciaio, è molto duttile ed incorpora sensori wireless per controllare la sua stabilità, la temperatura e l’integrità.

Ma facciamo un passo indietro! 

Che cosa sono i materiali compositi? 

Senza addentrarci troppo in pedanti spiegazioni scientifiche, i compositi si ottengono dall’unione di due o più materiali diversi tra loro. Da questi, si ottiene un nuovo materiale le cui caratteristiche sono migliori di quelle dei materiali di partenza presi singolarmente. In sintesi, un composito ha due parti costituenti:

  • La matrice, ossia l’elemento preponderante del composito, che verrà riempito con le fibre. Può essere metallica, ceramica, resina a seconda degli scopi di utilizzo e dei settori di applicazione.
  • La fibra, ovvero il riempimento della matrice. Questa è l’anima del composito in quanto la sua forma, disposizione, materiale e orientazione influisce enormemente sulle proprietà meccaniche e fisiche dell’intero materiale.

Tanto per semplificare, il torrone che mangiamo a Natale…è un perfetto esempio di materiale composito: la matrice è la pasta di zucchero, mentre le fibre sono le mandorle, che danno consistenza e rigidità al dolce. Come già avrete capito, esistono ed è possibile creare un gran numero di materiali compositi, che sono già presenti in natura: le ossa, il legno …sono tutti compositi. Se volessimo restringere il campo di appartenenza, possiamo dire che la scelta sui materiali leggeri e resistenti ad impatto ricade spesso su tre tipologie di fibre: kevlar, carbonio e vetro in matrice epossidica o altro tipo di resina. I motivi di tale scelta risiede nell’avere un ottimo compromesso tra: tempi e costi di produzione, lavorabilità, resistenza e leggerezza. 

Ovviamente, non sono solo i materiali ad incidere sulle capacità resistive del componente, ma anche la sua forma e la sua configurazione. Prendiamo ad esempio il caso dei laminati, ampiamente utilizzati nel settore aeronautico, che sono costituiti da vari strati di materiale. Lo spessore e il numero degli strati, la loro orientazione rispetto al sistema di riferimento (oltre a quelle delle fibre), la presenza di geometrie particolari, incidono enormemente sul risultato finale. Inoltre, si possono dettagliare una serie di accorgimenti per rendere il materiale più resistente, ad esempio la creazione di vuoti (ply-drop) atti a frenare l’avanzata delle cricche (spaccature) all’interno del materiale.

La resistenza non è sinonimo di durezza 

Abbiamo detto che il Vibranio è il materiale più resistente al mondo (nell’Universo Marvel), ma ciò non significa che è il più duro. La resistenza di un materiale è data dalla sua capacità di rispondere alle sollecitazioni esterne senza ricevere un danno tale da portarlo a rottura. Quando si fa un’analisi degli urti è importante avere un materiale capace di assorbire gran parte dell’energia d’impatto (ossia dell’energia cinetica), ma l’eccessiva durezza è un ostacolo più che un vantaggio.

Ad esempio, il diamante è il materiale più duro al mondo, ma anche il più fragile. Si! Avete capito bene, il diamante è un materiale fragile proprio a causa della sua durezza (vale anche per le persone). Può sembrare contro intuitivo e alcuni di voi adesso avranno il mal di testa. La fragilità è legata al modo con cui un corpo si rompe dopo l’impatto. Nel caso del diamante, dove tra gli strati di carbonio ci sono legami di Van Der Walls (legami chimici forti), quando si raggiunge il punto di rottura questi va in mille frammenti.

Al contrario, un copro capace di deformarsi senza rompersi è un copro resistente perché ha assorbito la maggior parte dell’energia cinetica senza cedere. Esistono nelle vetture elementi sacrificali che hanno questo scopo. Prendete i paraurti delle auto, se questi si deformano è perché devono assorbire tutta l’energia impattante senza che questa si trasferisca alla parte centrale dell’abitacolo, così da tenere al sicuro i passeggeri. Inoltre, la loro deformazione aumenta il tempo dell’impatto, cosicché la forza esercitata dell’oggetto impattante sarà minore (a parità di impulso). Quindi, quando il qualunquista di turno dice che le auto del passato erano più resistenti perché si deformavano di meno, è una affermazione figlia dell’ignoranza. Il paraurti, se svolge bene la propria funzione, deve deformarsi! Significa che ha assorbito gran parte dell’energia impattante, che non graverà sul passeggero della vettura. 

Chi vuol essere Vibranio: grafene e altri candidati 

Il materiale che sembra essere il miglior candidato per la creazione di materiali compositi ultra leggeri e ultra resistenti è il grafene, un materiale costituito da uno strato sottilissimo (a livello atomico) di atomi di carbonio che ha la durezza del diamante e la flessibilità dei polimeri (plastica). Molto spesso, si parla di nanotubi in grafene, ossia dei cilindri che si ottengono piegando il foglio atomico di grafene su sé stesso. Un materiale composito con nanotubi in grafene potrebbe essere un ottimo gemello reale del Vibranio. Né è convinto anche James Kakalios, professore di fisica e astronomia presso l'Università del Minnesota, famoso per le sue opere in bilico tra la profonda conoscenza scientifica e la passione per i supereroi. La resistenza del grafene è imputabile alla sua struttura atomica: gli atomi di carbonio sono disposti in uno schema esagonale a nido d'ape, che dissipa l’energia impattante sotto forma di vibrazioni ma senza che queste alterino i legami chimici tra i vari strati. Ciò che frena la produzione in massa del grafene è la difficoltà con cui realizzarlo tecnologicamente. Numerose sono infatti le ricerche finalizzate alla migliore produzione del grafene, focalizzandosi soprattutto sull’abbattimento dei costi. 

Oltre alla scelta dei materiali, per creare un materiale composito interessante possiamo giocare sulla sua struttura. Un filone affascinante nel campo dei materiali è la biomimetica, ovvero imitare strutture e forme naturali/biologiche. Non è qualcosa di nuovo, la maggior parte delle nostre invenzioni sono state ispirate dalla natura, ad esempio il profilo alare di un aereo. Ne era consapevole anche Leonardo Da Vinci, che considerava la natura come la massima fonte di ispirazione umana: tutto ciò che possiamo immaginare o inventare, la Natura già lo ha fatto!

Sono stati realizzati compositi ispirati all’esoscheletro degli insetti, delle ossa umane, delle conchiglie, delle chele dei crostacei. Numerosi sono gli studi sulle ragnatele, quasi come avveniva nei laboratori della Oscorp (sempre per rimanere in tema Marvel). Se ci pensate bene, le ragnatele sono pensate per resistere agli impatti di insetti che viaggiano ad alte velocità. Il materiale, le geometrie (spirale, segmentato…), la configurazione (bidimensionale o tridimensionale), la sezione del filamento (cilindrico è molto resistente), sono tutti parametri indispensabile per la cattura delle prede senza che queste alterino l’integrità della ragnatela. Recentemente, è stato creato un materiale composito stampando in 3D le fibre all’interno di una matrice epossidica. La geometria era simile alla ragnatela di un ragno, per cui i filamenti si intrecciavano tra loro creando dei nodi. Questi erano capaci di assorbire la maggior parte dell’energia di impatto. 

Altro filone sono i compositi auto-riparanti, ovvero dotate di strutture interne capace di rimarginare la spaccatura del materiale. In base al loro meccanismo di auto-riparazione, li possiamo classificare in tre tipi:

  • A capsula, presentano delle microcapsule disposte in maniera randomica e contenenti il materiale della matrice. Quando la cricca propaga e rompe la capsula, questa secerne il materiale che rimargina la feritoia, bloccando (almeno momentaneamente) la completa rottura del componente.
  • A legami chimici, i materiali si rimarginano in base alla loro affinità chimica. 
  • A strutture vasculari, che presentano una intricata struttura di canali (simili ai vasi sanguigni del corpo umano) contenente il materiale/liquido riparante. Come in quelli a capsula, se la cricca incontra e rompe uno dei canali, questo riempie la spaccatura.

L’adamantio

Il vibranio non è l’unico straordinario materiale del MCU. Un mutante il cui scheletro è ricoperto di una lega metallica indistruttibile e che sfodera le sue lame dai pungi, vi dice qualcosa? Ovviamente stiamo parlando di Wolverine (Logan), l’amato supereroe Marvel appartenente agli X-men e magistralmente interpretato da Hugh Jackman. L'Adamantio, un metallo raro (immaginario) derivato dai detriti di meteoriti, ricopre lo scheletro del mutante per creare un eroe quasi invulnerabile, forse immortale dato che invecchia lentamente e si rigenera velocemente.

Ma è possibile rivestire uno scheletro di metallo?

L’idea che il metallo possa essere legato o combinato con il tessuto organico non è così fantascientifica. In ambito medico, si usano frequentemente protesi in titanio per ricostruire il cranio o l’anca di una persona. Il titanio è ampiamente usato perché non è rigettato dal corpo, è relativamente economico, molto resistente e leggero. In natura, le mandibole delle formiche e delle locuste sono ricoperte di zinco, che le rende più forti e durevoli. Alcuni vermi marini contengono rame nella matrice proteica che costituisce le loro mascelle.

Seung-Mo Lee e Mato Knez dell'Istituto Max Planck di fisica delle microstrutture di Halle (Germania), hanno creato una ragnatela super resistente bombardandola con composti metallici ionizzati. Ogni fibra di seta è rivestita da un sottile ossido di metallo (zinco, alluminio. titanio), che ha migliorato le proprietà meccaniche della ragnatela perché capaci di sostenere un peso da tre a quattro volte maggiore. Le fibre diventano anche più elastiche, per cui la loro tenacità, ovvero l'energia necessaria per spezzare un filo, aumenta. Tanto per intenderci, la seta legata al titanio richiede un lavoro dieci volte maggiore per rompersi rispetto alla seta normale.  Ancora una volta, la fantascienza ha anticipato la scienza, che sembra essersi ispirata ad essa, riproponendo tecnologie viste nella saga di Spider-Man. 

Se non siete ancora rimasti senza fiato, l'Università giapponese di Tohoku ha sviluppato una lega metallica in grado di resistere a temperature fino a 1.600° C (2.912 F), battezzando tale materiale come adamantio. Si tratta di una lega rinforzata con carburo di titanio, molibdeno-silicio-boro (MoSiBTiC). A differenza dell'adamantio però, il MoSiBTiC non verrà usato a scopi militari ma sarà adoperato per la costruzione di motori a reazione, turbine a gas e altri sistemi di generazione di energia. Tutte queste innovazioni suggeriscono che un giorno sarà possibile ricoprire lo scheletro umano di metallo, come avvenuto per Wolverine, trasformandoci in meta-umani o semplicemente rendendoci più resistenti a fatica e impatti. Se sapientemente utilizzate, queste tecnologie possono cambiare in meglio la vita di tutti! Sta a noi saperne fare un corretto utilizzo, senza diventare eroi o villain, ma rimanendosi noi stessi…in una versione potenziata. 

Riferimenti