Creato un nuovo materiale in laboratorio: bianco lucente che si ispira a un coleottero

Dalla collaborazione di un team di fisici dell’università di Firenze e dell’Accademia di Scienze di Pechino nasce un nuovo materiale caratterizzato da un bianco estremamente lucente. La ricerca è stata pubblicata su Advanced Functional Materials e ha preso spunto da un coleottero asiatico il cui candore aveva già incuriosito diversi ricercatori cinque anni fa.

A cura di Fabiana Murgia

Indice:

• Il bianco più bianco: risultati della ricerca
• Il bianco più bianco: possibili impieghi

Il lavoro di questi fisici ha avuto come finalità la realizzazione di un materiale innovativo capace di adattarsi a molteplici impieghi, la cui brillantezza supera, addirittura, quella del coleottero preso in esame.

L’aspetto caratteristico di questo coleottero asiatico del genere Cyphochilus risiede nella particolare struttura del rivestimento, responsabile della lucentezza del suo bianco.

Sempre l’Università di Firenze si era occupata di una ricerca internazionale, guidata dai ricercatori del Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non lineare (LENS) e pubblicata su Scientific Reports, dalla quale era emerso che il coleottero fosse ricoperto da una serie di minuscole scaglie caratterizzate da un bianco intenso e da uno spessore notevolmente ridotto, risultando addirittura più sottili di un foglio di carta.

La struttura delle scaglie, estremamente organizzata, si dispone internamente mediante una fitta rete di filamenti sottilissimi, mostrando la capacità di diffondere la luce in modo molto efficiente.

Un aspetto tanto sorprendente da rendere il coleottero oggetto di costanti ricerche a livello globale, dal 2014 ad oggi.

Numerosi gruppi di ricercatori in tutto il mondo hanno tentato di riprodurre fedelmente il particolare tipo di bianco imitando la struttura dell’insetto, sempre con risultati poco soddisfacenti e raggiunti mediante tecniche complesse, quali l’utilizzo di gas ad altissima pressione o trattamenti agli ultrasuoni.

La complessità di questi meccanismi mostra chiaramente una certa difficoltà nel considerare un’ipotetica produzione del materiale su larga scala.

Il bianco più bianco: risultati della ricerca

L’entusiasmo generato dai nuovi risultati deriva dalla capacità che il team di fisici fiorentini e pechinesi ha avuto nel definire una procedura spontanea, che si attiva a pressione e temperatura ambiente ed è capace di concretizzare un materiale il cui bianco è addirittura più lucente rispetto a quello considerato come fonte di ispirazione.

La composizione di questo nuovo materiale mostra un parallelismo con quello esistente in natura e si caratterizza per la composizione basata sull’impiego di un polimero, il polistirene, imitando le scaglie del coleottero che sono costituite, a loro volta, da un polimero, la chitina.

Per generare questo materiale non sono necessarie particolari condizioni ambientali; infatti la produzione è stata effettuata all’interno di un laboratorio a temperatura ambiente, in un’atmosfera ricca di vapore acqueo, secondo il processo di separazione di fase che si verifica spontaneamente nella miscela di polistirene dissolto e acqua.

Per rendere più chiara la spiegazione di questo fenomeno Lorenzo Pattelli e Diederik Wiersma, ricercatori dell’Università di Firenze, hanno spiegato l’esempio di un semplice miscuglio fra acqua e olio, due componenti che, come ben sappiamo, non si mischiano per loro natura, secondo lo stesso principio citato sopra.

Hanno poi continuato affermando che “Seguendo questo esempio, potremmo dire che la miscela tra acqua e polistirene si comporta come quella tra olio e acqua: uno dei risultati della ricerca è stato quello di riuscire a regolare le dosi dei due materiali e la velocità di evaporazione dell’acqua per far sì che il processo di separazione di fase si arresti ad uno stato intermedio, dove la separazione non è ancora avvenuta completamente e le due fasi formano una struttura particolarmente interessante dal punto di vista ottico“.

La completa evaporazione dell’acqua lascia, quindi, una struttura residua di polistirene, interessata da una rete di microscopici filamenti e tunnel collegati fra loro, che prende il nome di “bicontinua” poiché sia i tunnel che i filamenti attraversano tutto il materiale intrecciandosi in modo continuo e senza interruzioni.

Una struttura davvero innovativa che permette di ottenere un colore che ad oggi viene realizzato ancora servendosi di componenti potenzialmente tossici per la salute.

Pattelli e Wiersma si sono espressi a tal proposito con queste parole: “Questo tipo di struttura è particolarmente interessante anche perché ad oggi, a livello industriale, il colore bianco viene tipicamente ottenuto con l’aggiunta di nano-particelle che, se inalate, sono potenzialmente dannose per la salute, mentre nel nostro caso abbiamo una struttura unitaria non composta da parti separabili.

Queste caratteristiche fanno ipotizzare per il polistirene super bianco una molteplicità di utilizzi: dalla produzione di vernici più ecologiche a tessuti termoregolanti, dalla realizzazione di pannelli solari più efficienti a quella di schermi ultrasottili e flessibili”.

Nonostante il materiale sia caratterizzato da uno spessore estremamente ridotto mostra una sorprendente capacità nel rimanere opaco, riflettendo una notevole quantità di luce.

Pattelli ci spiega che “Uno strato di soli 3,5 micrometri è in grado di riflettere più del 60% di luce. Un foglio di carta dello stesso spessore sarebbe in confronto trasparente”.

Questa capacità di riflettere la luce tende, comunque, a diminuire con l’aumentare dello spessore, nonostante rimanga sempre molto alta, e questo si verifica poiché cambia il tipo di struttura generata mediante il processo spontaneo di separazione di fase.

Per questo motivo il team di fisici persevera nella ricerca e lavorando sulla viscosità della miscela di partenza si dimostra ottimista nel raggiungere a breve risultati che possano dimostrare come le stesse proprietà ottiche e strutturali ottenute per bassi spessori possano essere trasmesse anche per spessori maggiori.

Il bianco più bianco: possibili impieghi

Le capacità legate a questo nuovo materiale sono, quindi, sorprendenti in quanto permettono di adattare lo stesso a diversi impieghi anche grazie al potenziale carattere super-idrofilico, mostrandosi temporaneamente trasparente se immerso in acqua o posto a contatto con del vapore acqueo.

Attualmente non vi sono progetti concreti che ne mostrino le possibili applicazioni, tuttavia si è pensato che queste membrane flessibili e diffusive potrebbero assolvere la funzione di schermi ultrasottili, che lavorano con uno strato retro-riflettente, o di celle solari a film sottile, anch’esse legate alla presenza di strati riflettenti che ottimizzano l’accoppiamento tra luce solare e dispositivo.

Il carattere idrofilico suggerisce, invece, l’impiego per sensori di umidità o il monitoraggio ottico dell’espirazione.

Un’altra interessante possibilità di utilizzo è legata alla “Possibilità di usare questo tipo di materiali porosi polimerici come rivestimenti per edifici in grado di riflettere tutta la luce solare e al contempo emettere e disperdere calore, con l’effetto di raffrescare l’edificio senza alcun consumo di energia, diminuendo dunque la necessità di condizionamento attivo dell’aria” come spiega Lorenzo Pattelli.

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