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NANOTECNOLOGIE/ Dall’effetto loto alle ragnatele: quando la natura ispira l’high tech

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La foglia artificiale a base di grafene  La foglia artificiale a base di grafene

Si può chiamarlo “effetto loto”: è una delle caratteristiche più sorprendenti e utili delle foglie di questa famosa pianta acquatica, che hanno una struttura particolare che le rende estremamente idrofobe (idrorepellenti) e che le mantiene costantemente pulite e protette. Sono qualità molto richieste anche in ambito industriale, per l’auto-pulizia e l’anti-adesività, che hanno quindi attirato l’attenzione degli scienziati impegnati nello sviluppo di nanomateriali bio-ispirati.

Tuttavia il loto non ha una idrofobia controllabile; la sfida della ricerca era perciò quella di ricreare un materiale che potesse avere un comportamento modificabile e “intelligente” per adattarlo ad applicazioni molto diverse: dai sistemi elettronici flessibili e trasparenti di ultima generazione fino alla nanomedicina. La sfida è stata raccolta da un gruppo di ricerca internazionale che nasce dalla collaborazione fra la Duke University, il MIT e l’Università di Trento, con l’esperienza di Nicola Pugno, ordinario di Scienza delle Costruzioni al Dipartimento di Ingegneria civile, ambientale e meccanica. Un primo risultato è stato recentemente presentato nello studio “Multifunctionality and control of the crumpling and unfolding of large-area graphene” pubblicato su Nature Materials.

Il professor Pugno, parlando a Ilsussidiario.net, parte dalla sua attività presso il Politecnico di Torino dove ha fondato il Laboratory of Bio-Inspired Nanomechanics; trasportando poi questa esperienza a Trento, tra le tante ricerche avviate in questa linea “ispirata alla natura”, ha lavorato col suo gruppo proprio sulla questione dell’effetto loto, cioè sulla originalità della sua topologia superficiale e sulla possibilità di modificazione delle proprietà di idrofobia della superficie. 

La chiave di tutto sta nel concetto di angolo di contatto. «Immagini di mettere su una superficie una goccia molto piccola (tale da poter trascurare l’effetto della gravità che la appiattirebbe) e di guardarla di lato, osservando l’angolo tra la tangente alla superficie della goccia e la superficie del substrato: se l’angolo è 180 gradi la goccia è sferica e la superficie risulta idrofoba; se è zero si ha un film sottile liquido sulla superficie (che quindi sarà superidrofila); tra questi due estremi ci sono tutte le altre possibilità. In particolare, con angolo di contatto sopra i 150 gradi il materiale è idrofobo, con angolo di contatto minore di 90 gradi diventa idrofilo».

Dall’osservazione delle foglie del loto i ricercatori, attraverso calcoli di nanomeccanica e simulazioni atomistiche, sono riusciti a ricreare in laboratorio una “foglia artificiale” multifunzionale a base di grafene, un materiale intrinsecamente molto rigido e resistente. Un foglio di grafene (singolo strato di atomi di carbonio) è stato “stropicciato” e fatto aderire a un substrato di materiale polimerico estremamente cedevole. Il substrato è stato poi tensionato meccanicamente e, di conseguenza, la topologia superficiale (responsabile di moltissime proprietà meccaniche e fisiche) del foglio di grafene ha cambiato aspetto: da stropicciata a liscia. In questo modo i ricercatori sono riusciti a realizzare una superficie multifunzionale intelligente che, ad esempio, può passare dall’essere super-idrofoba a idrofila, grazie a questo effetto topologico.

Perché proprio il grafene? «Ormai sul grafene si indirizzano moltissime ricerche di scienza dei materiali perché è particolarmente interessante e ha caratteristiche peculiari: è molto resistente, è conduttore, è trasparente, sottile ma rigido, è a cavallo tra l’essere idrofobo e idrofilo, con un angolo di contatto intrinsecamente intorno ai 90 gradi; perciò si presta bene a trasformazioni che modificano la idrorepellenza. Era quindi il candidato ideale per queste applicazioni».



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