giovedì 10 novembre 2011

I materiali si autoriparano così ci cambieranno la vita


Dal polimero a prova di graffio alla plastica che sia aggiusta da sola, viaggio tra le ultime novità della scienza dei materiali. Ispirate a soluzioni naturali o basate su principi chimici, queste sostanze potrebbero presto rivoluzionare la nostra vita quotidiana


OGGETTI in grado di riparasi da soli, finestre che respingono lo sporco e graffi che scompaiono alla luce ultra-violetta. Messe così, una di seguito all'altra, queste immagini sembrerebbero uscire direttamente dalla fantasia di un autore di fantascienza, insoddisfatto del mondo reale e bisognoso di cercare altrove qualche fonte di ispirazione. Eppure, è proprio prendendo spunto dagli aspetti più minuti della realtà che negli ultimi anni gli scienziati dei materiali sono riusciti a creare superfici intelligenti, anticipando così un futuro in cui l'involucro delle cose sarà dotato di caratteristiche che un tempo avremmo definito magiche.

La tecnologia che è dietro questi materiali cambia di volta in volta, così come diverse sono le loro possibili applicazioni. Si va dal settore biomedico ai gadget tecnologici, passando per l'industria automobilistica e l'arredamento. Il nostro giro inizia dall'Olanda, dove un gruppo misto di ricercatori e imprenditori ha brevettato SupraB 1 , un nuovo tipo di materiale capace di autoripararsi grazie a un sapiente gioco di legami a idrogeno.

Plastiche futuristiche e polimeri supramolecolari. "SupraB appartiene alla categoria dei polimeri o macromolecole, vale a dire molecole dall'elevato penso molecolare costituite da un gran numero di unità", ha spiegato a Repubblica.it Bert Meijer, ingegnere dei materiali presso la Eindhoven University of Technology 3. "Mentre nella maggior parte dei polimeri i vari nodi della catena molecolare sono uniti da legami covalenti, nei polimeri supramolecolari le unità sono tenute insieme da legami reversibili e altamente direzionabili, come ad esempio il legame a idrogeno".

È proprio da questo tipo di legame (lo stesso che dà all'acqua la sua viscosità e la sua tensione tensione di superficie) che derivano le proprietà apparentemente magiche della nuova plastica. In SupraB, in particolare, gli scienziati hanno quadruplicato il numero di legami idrogeno tra le molecole, così da rendere il polimero resistente come altri tipi di plastica e allo stesso tempo indipendente dalle reazioni chimiche altrimenti necessarie per unire le varie molecole.

Il risultato, descritto sul sito della startup SupraPolix BV 4, è un materiale che è capace di aggiustarsi da solo quando si rompe o viene tagliato: basta rimettere insieme le parti e maneggiarle un po', come farebbe un bambino con del pongo, e l'oggetto si ricompone da sé.

Secondo i suoi sviluppatori, il polimero potrebbe essere usato per gli scopi più disparati: giocattoli a prova di scalmanati, occhiali, telai e involucri protettivi per difendere virtualmente qualunque tipo di oggetto, dai computer portatili agli smartphone.

Via i danni con la luce. Da un lavoro congiunto tra Stati Uniti e Svizzera è nato invece il materiale più ambito da quanti hanno provato, almeno una volta nella vita, lo scoramento di fronte alla vista di nuove righe sulla carrozzeria della propria auto. In questo caso si tratta di un polimero metallo-supramolecolare capace di trasformarsi, sotto una fonte di luce ultravioletta, in un liquido che va a riempire segni e abrasioni sulla superficie.

Quando si spegne la luce, dopo neanche un minuto, il polimero diventa di nuovo solido e liscio, come se non fosse successo nulla. "Il materiale è figlio di un meccanismo chiamato assemblaggio supramolecolare", ha spiegato Stuart Rowan, direttore dell'Istituto Materiali Avanzati della Case Western Reserve University5di Cleveland, in Ohio. "A differenza dei polimeri tradizionali, che consistono di lunghe molecole composte da migliaia di atomi, quello che abbiamo sviluppato noi è fatto di molecole più piccole, che sono state assemblate in catene utilizzando ioni di metallo come colla molecolare".

Se esposte a un'intensa luce ultravioletta, queste strutture si "scollano" temporaneamente assumendo uno stato liquido che le fa fluire lungo eventuali solchi e screpolature, per poi tornare alla condizione iniziale. A quanto pare il materiale è insensibile anche ai segni del tempo: i ricercatori lo hanno graffiato, rigato, screziato - e poi fatto guarire - più volte nello stesso punto senza osservare alcun cambiamento nelle prestazioni.

Consistenza variabile. Un'altra mecca dei materiali intelligenti si trova in Germania, presso la Technical University di Amburgo 6. Qui il gruppo guidato da Jörg Weiβ müller, in collaborazione con l'Istituto cinese di Ricerca sui Metalli 7di Shenyang, ha creato un materiale il cui stato può essere cambiato a piacimento da rigido e fragile a morbido e malleabile.

A spiegarci il funzionamento è stato lo stesso Weiβ müller: "Alla base della nostra scoperta vi sono due elementi: un metallo prezioso con una struttura altamente porosa e una soluzione salina in grado di trasmettere corrente elettrica".

A questo punto il gioco è pressoché fatto: basta utilizzare un impulso elettrico (innescato dall'esterno tramite un pulsante o - nelle intenzioni finali dei ricercatori - sviluppato in maniera spontanea e selettiva dal materiale stesso) e la rigidità del metallo può essere regolata sfruttando i cambiamenti della forza del legame metallico. "Il segreto è nella nanostruttura porosa del nostro metallo", ha continuato Weiβ müller. "La soluzione salina serve solo a condurre l'elettricità".

Il super repellente. Ancora più originale è il progetto che ha portato un team di ricercatori di Harvard a realizzare un materiale chiamato SLIPS (da "Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces). La loro fonte d'ispirazione, infatti, è stata la pianta cobra (Darlingtonia californica), una pianta carnivora le cui foglie sono impermeabili all'acqua piovana grazie a uno strato scivoloso di fluido che ne avvolge la superficie.

"Ispirandoci all'eleganza di questo meccanismo naturale, abbiamo creato un materiale capace di respingere qualsiasi tipo di sostanza liquida o solida", ha spiegato Joanna Aizenberg, professoressa di Scienze dei Materiali alla Harvard School of Engineering and Applied Sciences 8 (SEAS). Nello specifico, i ricercatori hanno messo a punto una strategia per creare superfici scivolose "inondando" con un fluido lubrificante un materiale poroso microstrutturato.

"Le superfici costruite in questo modo - ha aggiunto la scienziata - non mostrano alcun segno di ritenzione: è sufficiente una pendenza anche minima per far scivolare via un'enorme varietà di liquidi e solidi". Le cosiddette SLIPS, inoltre, sembrano capaci di ripararsi da sole e conservare intatte le loro proprietà anche in condizioni particolarmente avverse, come pressioni altissime e temperature polari.

Secondo i ricercatori, il loro raggio d'applicazione spazia dalle tecnologie biomediche per la gestione dei fluidi al trasporto di acqua e carburanti, passando per la produzione di tecnologie antighiaccio e anticontaminazione. "Altri utilizzi - ha concluso Aizenberg - includono la realizzazione di finestre che si puliscono da sole e superfici resistenti ai batteri".

Il materiale che ci copia le ossa. Dall'Arizona State University arriva infine l'ultimo elemento di questa "galleria dei super materiali". Qui i ricercatori hanno scelto di mimare la capacità, tipica di sistemi biologici come le ossa, di avvertire la presenza di un danno, fermarne la progressione e attivare un processo di rigenerazione.

FONTE: Giulia Belardelli (repubblica.it)


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