Nicola M. Pugno. Foto Alessio Coser. Archivio UniTrento

Eventi

Nuovi studi sulla tenacità della frattura a UniTrento

Nicola Pugno apre il 25° congresso internazionale di Meccanica (ICTAM) con una lezione su Griffith

3 novembre 2021
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a cura di Paola Bonadiman
Lavora all’Ufficio Web e social media dell’Università di Trento.

Tra gli eventi che non si sono potuti svolgere lo scorso anno a causa della pandemia c'era anche il 25° Congresso internazionale di meccanica teorica e applicata, che è stato posticipato e finalmente si è tenuto dal 22 al 27 agosto di quest'anno, a Milano, interamente online, con il nome di ICTAM Milano 2020+1.

Ogni quattro anni, i Congressi ICTAM riuniscono la comunità della meccanica di tutto il mondo e rappresentano un'opportunità unica per parlare di scienza, condividere idee e successi e stabilire nuove relazioni nell'ambito dell'università e dell'industria. L'Italia aveva precedentemente ospitato il Congresso nel 1960, e questa è la ragione per cui si era creata una certa attesa attorno all'appuntamento. Il relatore invitato a tenere la conferenza plenaria inaugurale del Congresso è Nicola Pugno, professore ordinario di Scienza della Costruzioni al Dipartimento di Ingegneria civile, ambientale e meccanica dell'Università di Trento e professore part-time di Scienza dei Materiali alla Queen Mary University of London.

L'idea alla base dell'attività di ricerca del professor Pugno e del suo gruppo al Laboratory for Bioinspired, Bionic, Nano, Meta Materials & Mechanics dell'Università di Trento è che la natura ha molto da insegnare, e che si possono creare nuovi materiali e soluzioni osservando gli animali, le piante e i fenomeni naturali.

Il professor Pugno ha iniziato il suo intervento con un'introduzione sul suo lavoro di ricerca e un omaggio a Leonardo da Vinci, considerato da molti il precursore dell'ingegneria bio-ispirata. Il genio e inventore del Rinascimento italiano era un acuto osservatore della natura, da cui ha tratto ispirazione per creare, per esempio, le sue ali artificiali e le macchine volanti. Anche il professor Pugno e il suo gruppo di ricerca hanno fatto riferimento alla natura per ideare, per esempio, superfici superadesive che imitano le zampe del geco, superfici idrofobiche e autopulenti ispirate alla foglia di loto, materiali ultra resistenti come i denti delle patelle e materiali super tenaci ispirati alla tela del ragno, anche grazie ai nanomateriali. Mentre nel settore dei "biocompositi", per esempio, stanno studiando il "silkene", una seta bionica prodotta da ragni nutriti con nanotubi al carbonio e grafene, con proprietà che superano quelle della tela di ragno e di altri tipi di seta, persino quelle artificiali.

La lezione del professor Pugno ha presto virato verso un altro studioso, A.A. Griffith, nell'anno in cui si celebra il centenario della pubblicazione del suo lavoro fondamentale "The phenomena of rupture and flow in solids". L'ingegnere inglese è infatti autore di questo scritto, apparso nel 1921, che ha gettato le basi per migliaia di pubblicazioni successive e dato origine alla meccanica della frattura. Proprio per rendere merito al fondatore della disciplina, il professor Pugno, vincitore del premio e della medaglia Griffith nel 2017, ha preso spunto dai simboli utilizzati nella celebre equazione di Griffith per presentare 3 nuove idee nell'ambito della frattura.

In particolare, per prima cosa ha presentato un'estensione della sua teoria Quantized Fracture Mechanics, che è a sua volta un'estensione della teoria di Griffith, da cui ha eliminato l'ipotesi di propagazione continua della frattura e quindi considerando viceversa l'esistenza di quanti di frattura, per comprendere la frattura di piccoli oggetti, così come il loro progetto tollerante alla presenza del difetto, come avviene con il grafene e i nanotubi. Ha anche proposto delle mappe di Ashby tridimensionali (mappe in cui vengono riportate due proprietà materiali per diverse classi di materiali, utilizzate per selezionare i materiali) per tenere conto del ruolo degli effetti dimensionali nel confronto e nella selezione dei materiali; le proprietà dei materiali infatti variano notevolmente al variare della scala dimensionale, per cui, per esempio, più grande vuol anche dire più fragile, nello spirito del concetto dell'anello più debole. Infine ha presentato un nuovo e fondamentale meccanismo di tenacità ossea, con potenziali nuove comprensioni e ricadute sulle malattie delle ossa che ne portano all’infragilimento e sulle relative cure; uno studio svolto in collaborazione con il professor Massimiliano Fraldi dell'Università di Napoli e con altri colleghi.

Ispirato da Leonardo e Griffith, Pugno ha dichiarato di considerarsi "un nano sulle spalle di giganti".

Direttore del Laboratory for Bioinspired, Bionic, Nano, Meta Materials & Mechanics che ha fondato, Nicola M. Pugno è responsabile di numerosi progetti di ricerca europei, anche di eccellenza come i grant ERC e FET, oltre che nazionali, locali e industriali. Tra i vari progetti europei in corso ricordiamo nel campo medico quello sulla riparazione del midollo spinale danneggiato grazie a elettrostimolazione con neurofibre composite avanzate, su gomme riciclate e composite in grado di essere ugualmente resistenti, su metamateriali ispirati alla natura per il controllo delle vibrazioni, es. per realizzare scudi sismici in grado di rendere un edificio invisibile a un terremoto.


New studies on fracture toughness at UniTrento
Nicola Pugno gave the opening plenary lecture at the 25th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics

One of the events that were cancelled last year because of the pandemic is the 25th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics, which was rescheduled and finally took place from 22 to 27 August, in Milan, as a fully virtual event named ICTAM Milano 2020+1.

Every four years, ICTAM congresses bring together the mechanics community from around the world and are unique occasions to talk about science, share ideas and advancements and establish new relationships in academia and industry. The last time Italy hosted the event was 1960 and that is why there was quite some anticipation about it. The speaker who gave the opening plenary lecture at the Congress is Nicola Pugno, full professor of solids and structural mechanics at the Department of Civil, Environmental and Mechanical Engineering of the University di Trento, and part-time professor of material science at the Queen Mary University of London.

The central idea behind the research work of Nicola Pugno and his team at the Laboratory for Bioinspired, Bionic, Nano, Meta Materials & Mechanics of UniTrento is that nature has a lot to teach us, and that new materials and solutions can be created by watching animals, plants and natural phenomena. 

Nicola Pugno opened his speech with an introduction to his research work and a homage to the father of bioinspired design, Leonardo da Vinci. The Italian Renaissance genius and inventor carefully observed nature, for example to create his artificial wings and flying machines. Professor Pugno and his team's research work took inspiration from nature to create for example gecko-inspired super-adhesive surfaces or hydrophobic and self-cleaning surfaces inspired by the lotus leaf, or super-strong materials inspired by the limpet teeth, or super-tough materials inspired by the spider silk, also thanks to nanomaterials. In the area of "bionicomposites", they are working on "silkene", for example, a bionic silk directly spun by spiders obtained after feeding them with carbon nanotubes and graphene with properties that exceed those of the spider silk itself, or of other types of silk, including artificial ones. 

Minutes into the lecture, Pugno touched on another scholar, A.A. Griffith, in the year that marks the 100th anniversary of the publication of his groundbreaking work "The phenomena of rupture and flow in solids". The English engineer is the author of that fundamental paper that appeared in 1921, which provided the basis for thousands of publications and originated fracture mechanics. In recognition of his work, professor Pugno – who received the Griffith’s medal and prize in 2017 – starting from the symbols that appear in the famous Griffith's equation, presented 3 new concepts in the field of fracture.

In particular, he first discussed an extension of his Quantized Fracture Mechanics theory, itself an extension of Griffith’s theory, from where he has removed the hypothesis of the continuous crack growth and thus viceversa considering the existence of fracture quanta, to understand the fracture of small objects and their flaw tolerant design, as it occurs in graphene and nanotubes. He then proposed 3 dimensional Asbhy’s plots (plots where two material properties are reported for different classes of materials and used for material selection) to take into account the role of size effects (material properties vary dramatically with the size scale, in this way, for example, larger is weaker in the spirit of the weakest link concept) in material comparison and selection. And finally presented a new fundamental toughening mechanism in bones, with potential implications and applications in bone diseases and their treatment; a study carried out in collaboration with professor Massimiliano Fraldi of the University of Naples and with other colleagues.

Inspired by Leonardo and Griffith, Pugno considers himself "a dwarf standing on the shoulders of giants".

Nicola M. Pugno is the Director of the Laboratory for Bioinspired, Bionic, Nano, Meta Materials & Mechanics, that he founded, and is responsible for many European research projects, including ERC grants and FET actions, and other national, local and industrial research initiatives. The various ongoing European projects include, in the medical field, a project that aims to repair damaged spinal cord using electrical stimulation and advanced composite neurofibres; a project on recycled composite rubber that can be as resistant as ordinary rubber; and a project on bio-inspired metamaterials for vibration control which, for example, can create seismic shields capable of making a building invisible to earthquakes.