SCOPERTA/ Quando le rughe migliorano i materiali

Le superficie rugose potrebbero avere vaste applicazioni in campo tecnologico e un gruppo di ricercatori del MIT di Boston ha deciso di scommettere sullo studio di queste particolari strutture, consapevole che queste potrebbero essere un ponte importante fra la chimica e l’ingegneria meccanica: gli scienziati hanno scoperto un nuovo metodo per creare, in modo ordinato e controllato, delle superfici con grandezze e motivi definiti.
Il metodo consiste nell’utilizzo di due strati di materiale: lo strato inferiore è un polimero di silicio che può essere teso, quello superiore, invece, è collocato mediante una deposizione chimica a vapore (CVD – Chemical Vapor Deposition), processo nel quale il materiale, riscaldato nel vuoto in modo che si vaporizzi, viene collocato sulla superficie tesa e quindi si lega strettamente ad essa. Successivamente la tensione è rilasciata prima in una direzione e poi nell’altra, piuttosto che tutta in una sola volta come nei metodi testati precedentemente: in questi casi il risultato è confuso, infatti il motivo delle rughe risulta caotico. La grandezza e lo spazio delle nervature a spina di pesce sono determinate da quanto il materiale inferiore era originalmente teso in ogni direzione, dallo spessore del rivestimento e dall’ordine con cui è avvenuto il rilascio della tensione nelle due direzioni.
La novità del sistema sta nel produrre motivi in modo preciso senza il bisogno di maschere o processi complicati di stampa, modanatura o scansione: il processo CVD permette un alto grado di controllo dello spessore degli strati depositati, della superficie chimica del rivestimento e dell’adesione, necessaria per ottenere motivi deformati come le rughe: senza il sufficiente contatto, lo strato superficiale si potrebbe separare dal substrato.
La professoressa Mary C. Boyce, capo del dipartimento di ingegneria meccanica del MIT, commenta: «Una caratteristica distintiva di ciò che stiamo mostrando è la capacità di creare deterministici motivi di rughe a due dimensioni, come quelli a spina di pesce. La natura deterministica di questi motivi è straordinaria e fornisce criteri per disegnare topologie di superficie desiderate». I ricercatori sono convinti che le possibilità di utilizzo delle superficie rugose descritte siano numerose. 

Un’importante applicazione è quella che riguarda la misurazione delle proprietà di un film ultrasottile di materiale senza dover conoscere lo spessore del film stesso: la rigidità e lo spessore potrebbero essere misurate analizzando il motivo della superficie. Un’altra possibile applicazione è la creazione di congegni di microfluidica, usati per testare molecole in un campione biologico, dove è necessario produrre piccoli canali di precise dimensioni sulla superficie: questi dispositivi potrebbero essere usati come sensori di contaminanti o per la medicina diagnostica.
Un altro utilizzo è quello del controllo della riflessione o della bagnabilità di una superficie rendendo quest’ultima repellente o attraente all’acqua, proprietà che dipendono dalla superficie stessa e dalla composizione chimica del materiale. Si potrebbe regolare dinamicamente il motivo per modificare la materia e le sue proprietà durante l’uso: questo permetterebbe un legame alla superficie con capacità di rilascio veloce oppure una modificazione della riflessività e della bagnabilità.
La professoressa Karen K. Gleason commenta: «Una delle cose incredibili è notare come gli esperimenti e le simulazioni corrispondano» e il professor John W. Hutchinson, docente di Ingegneria e di Meccanica applicata all’università di Harvard, che non è coinvolto in questa ricerca, aggiunge: «I fenomeni di corrugamento sono altamente non lineari e le risposte alle domande riguardanti la formazione dei motivi stanno lentamente emergendo. Il futuro è nella combinazione fra le intuizioni teoriche, la dimostrazione sperimentale e le simulazioni».