Design of Multifunctional Bioinspired Structures

The dynamic field of materials engineering is undergoing a significant transformation, mainly fueled by the engines of market demand, which has historically been pivotal in shaping innovations. This evolution is marked by an intensified quest for products that are not only smaller, lighter, and more functionally advanced but also meet stringent safety and reliability standards. In this accelerating landscape, artificial intelligence emerges as a key enabler in the discovery of new materials, while environmental sustainability calls for green manufacturing practices. To address these multifaceted challenges, materials scientists and engineers are redefining the value of traditional materials by designing them to perform additional, unforeseen functions. This shift from selecting materials from databases to designing them as tailored structures involves taking a holistic approach to developing new solutions. Making materials capable of performing multiple functions requires a multidisciplinary yet multiscale approach enriched by a wealth of information and technologies. Navigating this complexity, biomimicry emerges as a guiding light. This dissertation expands the understanding of biomimicry's potential for shaping innovative multifunctional materials. Starting from the study of biological composites, we focus on biological structures, in particular diatoms, and exploit 3D modeling, additive manufacturing, experimental testing, numerical simulations, and machine learning algorithms to explore the structure-property relationships of architected materials that mimic the geometric features of these microscopic algae. We delve into three specific design strategies: hierarchical structuring, the use of functional shape gradients, and the incorporation of conductive nanofillers, aiming to establish new guidelines for pioneering multifunctional material development. Our findings reveal that materials inspired by the multiscale design of diatoms are optimized for efficient load bearing and interaction with multidirectional flows, enhancing their potential for applications such as filtration, heat exchange, drug delivery, sport equipment, and robotics. By introducing structural heterogeneity into the periodic nature of the biological model, we can tailor the properties of biomimetic materials for application-specific requirements, significantly boosting their performance. Furthermore, by replicating only the geometric aspects of diatoms and not their constituent materials, we pave the way for versatile prototypes that facilitate the monitoring of structural integrity during use and promote their sustainable use in line with current market needs.

L’ingegneria dei materiali sta attraversando una fase di significativa evoluzione, spinta principalmente dalla domanda dei nuovi mercati emergenti. Questo periodo di cambiamento si distingue per la ricerca di materiali che permettano di creare prodotti non solo più compatti e leggeri, ma anche più avanzati dal punto di vista funzionale e conformi a rigidi criteri di sicurezza e affidabilità. In questo scenario, l’intelligenza artificiale sta emergendo come strumento essenziale per la scoperta di nuovi materiali, mentre l’urgenza di uno sviluppo sostenibile sollecita verso pratiche di produzione più verdi. Per rispondere alle sfide imposte da queste forze di cambiamento, scienziati e ingegneri dei materiali stanno ridefinendo il valore associato ai materiali progettandoli per svolgere funzioni aggiuntive, non convenzionalmente previste. Il cambio di paradigma dalla selezione di materiali da database alla loro progettazione come strutture su misura comporta l’adozione di un approccio olistico. Nello specifico, la realizzazione di materiali in grado di assolvere molteplici funzioni, sia strutturali che non, richiede una visione interdisciplinare e multi-scala, supportata da una vasta gamma di informazioni e tecnologie. Per districarsi in questa complessità, la biomimetica si impone come faro guida. Questa tesi di dottorato approfondisce il potenziale della biomimetica nella definizione di materiali multifunzionali innovativi. Partendo dallo studio dei compositi biologici, ci concentriamo sulle diatomee e sfruttiamo la modellazione 3D, la produzione additiva, i test sperimentali, le simulazioni numeriche e gli algoritmi di apprendimento automatico per esplorare le relazioni struttura-proprietà di materiali architettati che imitano le caratteristiche geometriche di queste alghe microscopiche. In particolare, ci addentriamo in tre strategie di progettazione biomimetica specifiche: la strutturazione gerarchica dei materiali, l’uso di gradienti di forma funzionali e l’incorporazione di nanofiller conduttivi, con l'obiettivo di stabilire nuove linee guida per lo sviluppo di materiali multifunzionali pionieristici. I risultati rivelano che i materiali ispirati al design multiscala delle diatomee sono ottimizzati per far fronte sia a interazioni meccaniche di varia natura, sia a flussi di massa multidirezionali, offrendo nuove soluzioni per applicazioni come il filtraggio, lo scambio termico, la somministrazione di farmaci, l’attrezzatura sportiva e la robotica. Introducendo eterogeneità strutturale nella periodicità del modello biologico, dimostriamo inoltre che è possibile personalizzare le proprietà dei materiali biomimetici per soddisfare i requisiti specifici dell’applicazione, migliorando notevolmente le loro prestazioni. Infine, replicando solo gli aspetti geometrici delle diatomee e non la loro chimica, apriamo la strada allo sviluppo di prototipi di materiali versatili che facilitano il monitoraggio della loro integrità strutturale durante l'esercizio e promuovono il loro utilizzo sostenibile in linea con le attuali esigenze di mercato.