Effect of the hierarchical design on the mechanical properties of diatom-inspired structures

The modern challenges in industrial field have pushed the scientists to look for more possible solutions in the natural panorama, arising a new discipline known as Biomimetic. In this context, the diatoms are showing their great potential finding applications in several technological areas. This thesis aims to design a multifunctional structure inspired by diatoms, suitable for the research of a possible correlation between the mechanical characteristics and the hierarchical architecture that characterize their structure. With this objective we have fabricated via additive manufacturing, a hierarchical structure, inspired by the exoskeleton of a specific diatom species: the Coscinodiscus sp. The mechanical behaviour of this structure and that of the hierarchical layers have been analysed through experimental tests and finite element simulations, both reproducing a three-point bending configuration. Starting from the results obtained, it has been possible to identify the topological parameters that mainly affects the mechanical response of the diatoms hierarchical structure and, in particular, the bending stiffness. Finally, an analytical model aimed at predicting the bending stiffness of the same structure, as a function of such topological parameters, has been developed. Although the proposed model needs a further refinement to provide more reliable data, the work developed till now represents a first step towards a novel approach for hierarchical diatom-inspired structures.

Le moderne sfide nel settore industriale hanno spinto gli scienziati a ricercare sempre più possibili soluzioni all’ interno del panorama naturale, delineando una nuova disciplina nota come Biomimetica. In questo contesto le diatomee rappresentano un grande potenziale, trovando applicazione in svariati ambiti tecnologici. Questa tesi ha lo scopo di progettare una struttura multifunzionale ispirata alle diatomee, che si presti alla ricerca di una possibile correlazione tra le caratteristiche meccaniche e l’architettura gerarchica della stessa struttura. Con questo obbiettivo sono state fabbricate mediante additive manufacturing, una struttura gerarchica ispirata all’ esoscheletro di una particolare specie di diatomea: la Coscinodiscus sp. Il comportamento meccanico di quest’ ultima e quello degli specifici livelli gerarchici è stato analizzato mediante l’utilizzo di test sperimentali e simulazioni ad elementi finiti relative a test di flessione in tre punti. Sulla base dei risultati trovati, è stato possibile identificare i parametri geometrici più rilevanti sulla risposta meccanica della struttura gerarchica, in particolare sulla rigidezza flessionale. Infine, è stato formulato un modello analitico finalizzato a prevedere la rigidezza flessionale in funzione dei rispettivi parametri topologici. Sebbene il modello proposto debba essere perfezionato per poter restituire valori più affidabili, il lavoro svolto rappresenta un primo passo verso un approccio innovativo alle strutture gerarchiche ispirate alle diatomee.