Harness multifunctionality in diatom-inspired architectures

Diatoms are microscopic algae with hierarchical porous cellular walls (frustules). The intricate architecture of their shells makes them feasible prototypes to guide the design and fabrication of novel biomimetic structures. Today there is a rapidly growing interest among scientists in biomimetics, and diatoms represent an optimal biomimetic model with promising chances of application in many technological fields, from building and construction to filtration and drug delivery systems. This work is aimed at realizing a multifunctional component, inspired by the frustule of a diatom species, the Coscinodiscus. The behaviour of this structure has been evaluated under different loading conditions. Compression and bending circumstances have been studied, keeping particular attention on the possible buckling phenomena occurring in the frustule substructures. Along with mechanical studies, fluid dynamic simulations have been performed with the goal of gaining a wider knowledge about the multifunctionality of the structure. Experimental tests on 3D-printed components and finite element simulations have been carried out on some prototypes of this structure. To avoid long lasting computations and too complex samples, various levels of simplifications have been implemented in the structure design and validated through numerical simulation and experimental testing. The results of the experimental campaign clarify the role of instabilities in the mechanical behaviour of the frustule during bending and compressive circumstances. It has been also shown a relationship between the buckling stress of the diatom-inspired part and the major topological parameter of it, the areolae wall thickness. Furthermore, the results strongly suggest that the compressive response of the component is governed by the areolae layer. Finally, the impacts of hole size, pore disposition and reinforcement rings on bending and fluid dynamic behaviour of the structure have been overviewed, by randomly modifying its shape. A parameter has been defined to provide an indication of the mechanical and fluid dynamic efficiencies of the natural structure in comparison to the modified components. This study shows that the bioinspired structure exhibits the best multifunctional properties, providing an optimal combination of bending stiffness, fluid dynamics properties and lightweight.

Le diatomee sono alghe microscopiche dotate di una parete cellulare porosa e organizzata gerarchicamente, detta frustolo. La struttura articolata e particolareggiante del loro esoscheletro le rende molto interessanti per la progettazione e realizzazione di strutture performanti e innovative. L’interesse degli scienziati e degli ingegneri alla disciplina della biomimetica sta crescendo giorno dopo giorno e le diatomee si stanno dimostrando essere una promettente fonte di ispirazione per applicazioni in svariati settori tecnologici. Questo lavoro ha come fine ultimo la realizzazione di una architettura che, prendendo spunto dal frustolo delle diatomee, sia capace di svolgere contemporaneamente molteplici funzioni (ottiche, fluido dinamiche, meccaniche). Un modello semplificato di una particolare specie di diatomee, la Coscinodiscus sp., è stato realizzato tramite additive manufacturing e analizzato, focalizzandosi sulle sue proprietà fluido dinamiche e meccaniche. Per evitare lunghe simulazioni e la creazione di pezzi troppo complessi, sono state apportate alcune semplificazioni che sono state validate sperimentalmente e numericamente. Sono state valutate, tramite test meccanici e analisi agli elementi finiti, diverse condizioni di carico, agenti sul corpo: compressioni, flessioni a tre punti e flessioni a quattro punti. Si è rivolta una particolare attenzione ai fenomeni di buckling che potrebbero avvenire nel frustulo, dato che questi condizionano profondamente il comportamento meccanico del componente e potrebbero essere sfruttati in alcune applicazioni. Insieme a questi studi strutturali, sono state svolte delle simulazioni fluido-dinamiche con lo scopo di mostrare la multifunzionalità di questa architettura porosa. I risultati delle diverse analisi hanno rivelato come lo spessore delle pareti dell’areolae governi lo sforzo critico di instabilità di tutto il componente. Inoltre, è stata chiarita la possibile comparsa di instabilità durante situazioni di compressione e di flessione del frustolo. Infine, la struttura è stata modificata in modo randomico con lo scopo di valutare gli effetti dei fori (in particolare la dimensioni, la posizione e la presenza di anelli di rinforzo sul bordo) sulle proprietà fluidodinamiche e flessionali del componente. Attraverso la quantificazione di un parametro di efficienza multifunzionale, è stato possibile mostrare come la struttura naturale presenti dei vantaggi dal punto di vista multifunzionale, se paragonata alle altre forme ideate.