L’industria delle costruzioni si affida a un’ampia gamma di rivestimenti e finiture per proteggere gli edifici, ma spesso sono prodotti problematici per l’ambiente. Il progetto ARCHI-SKIN anziché combattere la colonizzazione biologica delle superfici, punta a guidarla e a sfruttarla a proprio vantaggio. I ricercatori vogliono infatti sviluppare un sistema di rivestimento protettivo che sia contemporaneamente bioattivo, sostenibile, auto-riparante ed eco-compatibile, il cui design è direttamente ispirato ai biofilm fungini
Molte delle soluzioni ingegneristiche traggono ispirazione da fenomeni naturali. È il caso del progetto Bioinspired living skin for architecture, anche noto come ARCHI-SKIN. Questo progetto rappresenta una delle iniziative di ricerca più ambiziose e innovative finanziate dall’European Research Council (ERC) nell’ambito del programma quadro Horizon Europe.
L’obiettivo primario di ARCHI-SKIN è lo sviluppo di un sistema di rivestimento protettivo che sia contemporaneamente bioattivo, sostenibile, auto-riparante ed eco-compatibile, il cui design è direttamente ispirato ai biofilm fungini. Questo tipo di rivestimenti dovrebbe andare a sostituire gli attuali materiali edili che sono carbon-based ed hanno un impatto negativo sull’ambiente. Il progetto ha una durata di 60 mesi, dal 1 settembre 2022 al 31 agosto 2027. È coordinato dalla Dr. Anna Sandak, leader del Materials Department, InnoRenew CoE in Slovenia, e ha ricevuto un contributo dall’UE di quasi 2 milioni di euro.
Contesto pregresso: la realtà del settore edile
I materiali da costruzione (i muri delle nostre case, i rivestimenti, ecc.) devono rispondere a una serie di requisiti che riguardano la stabilità, la tecnica e l’estetica. Ma soprattutto, la resistenza duratura alle fonti di disturbo e agli agenti atmosferici. La moderna industria delle costruzioni si affida a un’ampia gamma di rivestimenti e finiture per proteggere gli edifici dalla corrosione e dal degrado biologico. Questi materiali, pur essendo essenziali per la longevità delle strutture, possiedono un profilo ambientale problematico. Una parte significativa di questi prodotti viene realizzata dal petrolio (soprattutto plastiche e derivati) e da altre fonti fossili. Il che li rende intrinsecamente legati a un’economia basata sul carbonio, non soltanto per quanto riguarda la produzione e l’applicazione, ma anche per le difficoltà di smaltimento.
Un conseguente problema di questa realtà è l’uso diffuso di sostanze chimiche biocide per i rivestimenti, in particolare quelli esterni. La maggior parte dei danni estetici e strutturali delle architetture infatti è data dall’insorgere di microrganismi come funghi, alghe e batteri, che in condizioni idonee prosperano e intaccano le superfici. Per prevenire la loro presenza, le vernici e i rivestimenti strutturati sono arricchiti di additivi aggressivi.
Sebbene efficaci nel breve periodo, questi composti lentamente si disperdono nell’ambiente a causa della pioggia e del dilavamento, contaminando suolo e corsi d’acqua.
La filosofia di fondo di ARCHI-SKIN è un rovesciamento completo di questo approccio tradizionale: anziché combattere la colonizzazione biologica delle superfici, il progetto mira a guidarla e a sfruttarla a proprio vantaggio.
Varie colture fungine cresciute in piastre di Petri, che illustrano la diversità morfologica tra i ceppi candidati studiati nel progetto ARCHI-SKIN.
Fonte d’ispirazione e approccio metodologico
Qual è la componente biologica alla base dell’idea del progetto? I funghi. O meglio, quella componente nota come biofilm. Il biofilm è sostanzialmente una struttura protettiva, formata da aggregati di microrganismi fungini in questo caso (talvolta il biofilm può essere anche di origine batterica) ancorata a una matrice extra-cellulare autoprodotta, composta principalmente da acqua, zuccheri e proteine. Questa matrice, nota come EPS (Sostanze Polimeriche Extracellulari), protegge la comunità di funghi al suo interno, permette gli scambi metabolici e soprattutto ne permette la proliferazione e l’adesione alle superfici.
Il progetto si sviluppa in più fasi e data la complessità dei materiali in studio e l’ambizione dell’obiettivo, utilizza anche diverse metodologie. La ricerca di ARCHI-SKIN inizialmente si concentra sullo studio approfondito dei principi di progettazione che governano i biofilm fungini. Vengono analizzati in dettaglio i processi di formazione, la struttura chimico-fisica, la composizione e le performance adesive e protettive. Un passo cruciale del progetto è stata l’indagine esplorativa della colonizzazione fungina naturale su diverse superfici architettoniche. Questa fase ha permesso di identificare quali fossero le specie fungine dominanti e più adatte alla realizzazione del progetto. In particolare, è stato visto che funghi del genere Aureobasidium, non solo sono tra i colonizzatori più comuni nella fase iniziale, rendendoli candidati promettenti per il rivestimento ARCHI-SKIN, ma sono molto versatili e si adattano ad ambienti diversi.
Dall’osservazione alla sperimentazione: la ricerca materiomica
Al fine di decodificare la complessità del biofilm si è agito in modo “bottom-up” e si è svolta una ricerca materiomica, ovvero una ricerca per capire le “istruzioni” che conferiscono a uno specifico materiale le sue proprietà uniche. Questo termine descrive infatti un approccio olistico dello studio del sistema materiale, con l’intento di comprendere tutte le proprietà e le interazioni presenti a più scale, dalla molecola alla struttura mascroscopica, al fine di poter incanalare e ingegnerizzare i risultati delle osservazioni.
Una caratteristica distintiva del progetto di ARCHI-SKIN è l’utilizzo di più metodologie ad alta processività (high-throughput) e all’avanguardia. Una di queste è l’imaging e il monitoraggio in-situ, un metodo per analizzare sistemi viventi dinamici attraverso microscopia time-lapse e imaging iperspettrale (HI). Queste tecniche permettono di osservare e monitorare la crescita del biofilm e le sue interazioni con il substrato in tempo reale e direttamente sulla superficie. Oltre all’osservazione forniscono una quantità di dati senza precedenti che consente un’analisi ancora più approfondita. Un’altra tecnica utilizzata da ARCHI-SKIN è la modellazione in-silico, che permette di ottimizzare la composizione della fonte nutritiva ideale per i ceppi fungini selezionati e di accelerare il processo di ingegnerizzazione del biofilm. Per ciò, vengono utilizzati metodi avanzati come il computational docking (attracco molecolare) e le simulazioni di dinamica molecolare per modellare le interazioni a livello atomico.
Da sinistra a destra: la dott.ssa Anna Sandak, ricercatrice principale, e la dott.ssa Anja Černoša, ricercatrice post-dottorato, osservano diverse colture fungine cresciute in piastre di Petri.
Come funziona il materiale vivente ingegnerizzato
Il motto implicito di ARCHI-SKIN è quello di “lavorare in congiunzione con la natura, e non contro di essa”. Per questo è importante comprendere il materiale modello alla base del progetto, ovvero l’ELM, Engineered Living Material, o Materiale Vivente Ingegnerizzato.
L’ELM comprende una nuova classe di materiali, con proprietà bio-integrate e più avanzate dei già innovativi materiali cosiddetti “smart”.
I materiali smart infatti, sono quei materiali che reagiscono a determinati stimoli ambientali in modo coerente con la propria funzione (per esempio, sono in grado di cambiare colore con il modificarsi della temperatura esterna). La manipolazione a livello microscopico dei materiali per ottenere determinati effetti esiste dagli anni ‘50 del secolo scorso, grazie a importanti sviluppi nella chimica e nella fisica. Un esempio di questi materiali sono i giubbotti antiproiettile: il tessuto, normalmente morbido ed elastico, se sottoposto all’urto del proiettile, reagisce prontamente. Un ELM, rispetto a un materiale smart, ha una caratteristica intrinseca ancora più sorprendente: si comporta come un sistema biologico, è in grado di auto-replicarsi, guarirsi e regolarsi in risposta ai cambiamenti ambientali.
Allineamento strategico con l’Europa
ARCHI-SKIN non vuole essere solo un esercizio accademico, ma punta a generare un impatto reale e misurabile nel settore edile. Di fatto, si pone come ricerca di frontiera a favore della transizione ecologica. Il progetto nasce in un momento molto denso di fervore normativo verso la sostenibilità ambientale e la necessità di neutralizzare l’impronta di carbonio da parte di istituzioni, aziende e realtà private. ARCHI-SKIN si inserisce quindi in un contesto perfettamente allineato con due delle più importanti iniziative europee per la sostenibilità: la Chemicals Strategy for Sustainability e l’European Green Deal.bLa prima ha l’obiettivo di limitare, e successivamente eliminare, le sostanze chimiche più tossiche di largo consumo dal mercato, sostituendole con alternative più eco-sostenibili e più sicure per la salute umana.
L’obiettivo dell’European Green Deal è più profondo e più complesso da realizzare: è una strategia-faro che punta a rendere l’Europa climaticamente neutrale entro il 2050. Il settore edilizio è uno dei settori cardine per questa trasformazione.
Verso materiali vivi e sostenibili
ARCHI-SKIN guarda esplicitamente a questo settore, non solo con il proprio materiale innovativo completamente bio-based e rinnovabile, ma anche grazie all’utilizzo di prodotti chimici sostenibili, come vuole la Chemicals Strategy for Sustainability, cercando di ridurre l’uso di quelli potenzialmente nocivi. Il progetto, oltre a creare un nuovo prodotto, sta contribuendo a definire una categoria di materiali completamente nuova. L’ambizione, al di là della decarbonizzazione e la riduzione degli impatti edilizi, è quella di conferire ai materiali da costruzione una dimensione che non potevano possedere prima: le proprietà di un sistema vivente.
Infatti, i rivestimenti progettati non solo bio-ispirati e bio-based, ma saranno infine composti da cellule fungine vive, opportunamente selezionate, che conferiranno al materiale le caratteristiche di bio-risanamento e auto riparazione. In questo sta la vera rivoluzione.
Il rivestimento è inoltre pensato per una vasta gamma di superfici, dal cemento alla pietra, fino al legno e le plastiche. Il potenziale di impatto sul settore edile è dunque enorme. Si apre quindi la prospettiva di un’architettura che non sarà più solo statica, ma dinamica e in grado di rigenerarsi. Un’architettura in grado di interagire con il proprio ambiente ed entrarvi in relazione. L’innovazione di ARCHI-SKIN sta nel trasformare un oggetto inerte in un sistema parzialmente organico, in grado di evolversi nel tempo. Sembra fantascienza? Per ora è una prospettiva futura.
