Imitare la struttura delle piume degli uccelli

L'uccello azzurro dalla gola rossa è un uccello molto speciale. Il colore blu del suo piumaggio è unico. Tuttavia, questo colore non è dovuto a pigmenti, ma alla particolare struttura delle piume. Osservate al microscopio, le piume sono attraversate da una rete di canali. Questi hanno un diametro di poche centinaia di nanometri. Per intenderci: un nanometro è un miliardesimo di metro. Il colore blu dell'Hüttens?nger ha attirato anche l'attenzione dei ricercatori dell'ETH del Laboratorio per i materiali morbidi e viventi guidato dal professore Eric Dufresne. Tanto che si sono posti l'obiettivo di imitare questo materiale. Utilizzando un nuovo metodo, ora ci sono riusciti: hanno sviluppato un materiale che ha la struttura delle piume di Hüttens?nger e ha anche un potenziale per applicazioni pratiche grazie alle sue nanoreti.

Copiato dalla natura

Come materiale di partenza, i ricercatori hanno utilizzato una gomma polimerica che può essere allungata e modellata ed è traslucida. Gli scienziati hanno posto questa gomma in una soluzione oleosa e l'hanno lasciata gonfiare per diversi giorni in un forno a una temperatura di 60 gradi Celsius. Hanno poi raffreddato il sistema e rimosso la gomma dalla soluzione oleosa.

Al microscopio, i ricercatori hanno potuto osservare come la nanostruttura della gomma cambiasse durante la procedura e hanno riconosciuto strutture di rete simili a quelle che conferiscono il colore blu alle piume dell'uccello azzurro. La differenza principale è lo spessore dei canali formati, che è di circa 200 nanometri nelle piume dell'uccello e di 800 nanometri nella gomma.

Il principio alla base della formazione della rete è la separazione di fase. Questo fenomeno può essere osservato in cucina con un condimento per insalata a base di olio e aceto. Mescolare i due liquidi non è facile e si ottiene meglio agitando vigorosamente. Se si smette di agitare, i liquidi si separano di nuovo. Tuttavia, è possibile miscelarli anche riscaldando le fasi e, per separarle, raffreddandole nuovamente. I ricercatori hanno utilizzato proprio questo principio per mescolare la gomma polimerica e il liquido contenente olio. Ciò ha portato alla formazione di un'intera rete microscopica di canali all'interno della gomma.

La prima autrice Carla Fernández Rico afferma: "Possiamo controllare e determinare le condizioni in cui si formano i canali durante la separazione di fase. Siamo riusciti a fermare il processo prima che le due fasi si fondano completamente". Questa struttura simile a un canale è molto simile a quella delle piume degli uccelli.

Il vantaggio di questo nuovo metodo è che il nuovo materiale ha dimensioni di alcuni centimetri e può essere ulteriormente scalato. "In linea di principio, è possibile utilizzare un pezzo di plastica gommosa di qualsiasi dimensione. Tuttavia, occorrono anche contenitori e forni di dimensioni corrispondenti", afferma Fernández Rico.

Il nuovo tipo di metodo di lavorazione dei materiali sta suscitando grande interesse nella comunità dei fisici. "Abbiamo un sistema semplice con solo due componenti, ma la struttura che otteniamo è molto complessa ed è controllata dalle proprietà dei componenti", dice Fernández Rico. "Diversi gruppi ci hanno contattato raccomandando l'uso della modellazione per comprendere i principi fisici di base di questo nuovo processo e prevederne i risultati".

Maggiore durata della batteria e migliore filtrazione

Il nuovo materiale ha un potenziale per applicazioni tecniche e di sostenibilità. Un possibile campo di applicazione è quello delle batterie. Nelle batterie, gli ioni si muovono normalmente tra gli elettrodi attraverso un liquido, il cosiddetto elettrolita. Uno dei motivi principali per cui le batterie perdono carica o addirittura si rompono nel tempo è che gli ioni reagiscono con gli elettroliti liquidi, facendo entrare in contatto i due elettrodi e danneggiando la batteria. Gli elettroliti liquidi potrebbero essere sostituiti da elettroliti solidi con una struttura a rete di canali interconnessi, come hanno dimostrato i ricercatori dell'ETH. In questo modo si eviterebbe il contatto fisico tra gli elettrodi e allo stesso tempo si garantirebbe un buon trasporto di ioni attraverso la batteria.

Un'altra applicazione potrebbe essere quella dei filtri per l'acqua. Le buone proprietà di trasporto attraverso la rete di canali e l'ampia superficie sono un vantaggio in questo caso. Il rapporto tra superficie e volume è enorme nelle strutture simili a canali. Ciò consente di rimuovere efficacemente dall'acqua impurità come batteri o particelle di sporco.

Sviluppare la ricerca verso la sostenibilità

"Tuttavia, il prodotto è ancora lontano dall'essere pronto per il mercato", dice Fernández Rico, "La gomma utilizzata è economica e facile da ottenere. La soluzione oleosa, invece, è molto costosa. ? necessaria un'alternativa più economica".

Fernández Rico vorrebbe sviluppare ulteriormente la sua ricerca in direzione della sostenibilità: Molti polimeri naturali, come la cellulosa o la chitina, hanno una struttura simile a quella della gomma che abbiamo usato nel nostro lavoro", e "lavorare con un materiale naturale come la cellulosa è anche più rispettoso dell'ambiente rispetto alla gomma siliconica, che deriva dal petrolio". Il postdoc vorrebbe quindi scoprire come questi materiali possano essere resi più funzionali per sfruttarne il potenziale.