Il nuovo materiale che imita le piume di un uccellino azzurro

L’azzurrino orientale è un uccello speciale: il piccolo pennuto canterino nasconde, tra le sue rarissime piume blu, il segreto per progettare materiali dalle caratteristiche uniche. Il colore del piumaggio, infatti, non è dovuto a un pigmento, ma alla particolare struttura delle sue penne.

I ricercatori del Politecnico Federale di Zurigo sono riusciti a replicarla, ottenendo un nuovo materiale che ha dimostrato qualità (e vantaggi) sorprendenti.

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Nuovo materiale ispirato alle piume dell’azzurrino orientale

Osservate al microscopio, le piume dell’azzurrino orientale (Sialia Sialis) appaiono attraversate da una rete di canali del diametro di poche centinaia di nanometri, o miliardesimi di metro.

Il raro colore blu dell’uccello canterino delle campagne nordamericane ha attirato l’attenzione dei ricercatori del Laboratory of Soft and Living Materials del Politecnico Federale di Zurigo, guidato dall’ex professore dell’ETH Eric Dufresne.

Gli scienziati sono riusciti a replicare la complessa e affascinante struttura delle penne dell’azzurrino orientale: hanno sviluppato un nuovo materiale che presenta lo stesso design strutturale delle sue piume, e che ha dimostrato un potenziale sorprendente in diverse applicazioni pratiche.

Per ricostruire il piumaggio del piccolo Sialia Sialis, i ricercatori sono partiti da una gomma siliconica trasparente che ha la caratteristica di poter essere allungata e deformata.

Hanno quindi sistemato la gomma in una soluzione oleosa e l’hanno lasciata “gonfiare” per diversi giorni in un forno a 60°C. Una volta che il composto si è freddato, hanno quindi estratto la gomma dalla soluzione oleosa.

La nanostruttura della gomma, osservata al microscopio, mostrava strutture reticolari simili a quelle che conferiscono alle piume dell’azzurrino orientale il loro caratteristico colore blu.

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Una gomma in soluzione oleosa: proprio come olio e aceto

La differenza principale tra il nuovo materiale e le piume del Sialia Sialis è nello spessore dei canali formati sulla sua superficie: il materiale sintetico misura 800 nanometri, mentre le penne dell’azzurrino orientale sono spesse appena 200 nanometri.

Il principio alla base della creazione del reticolo è la separazione delle fasi, quella divisione tra i componenti di una miscela che avviene, per esempio, quando si mescolano olio e aceto per condire l’insalata.

Per quanto uno si sforzi, i due liquidi tendono a separarsi non appena si smette di agitare vigorosamente l’emulsione: cambiando la temperatura, però, è possibile fare in modo che i due componenti si uniscano e si separino di nuovo.

È esattamente il procedimento che hanno seguito i ricercatori dell’ETH per mescolare la gomma siliconica e la soluzione oleosa: il risultato di questo delicatissimo processo è che, all’interno della gomma, si forma un’intera rete microscopica di canali, molto simile a quella delle piume dell’azzurrino orientale.

Come ha spiegato Carla Fernández Rico, l’autrice principale dello studio pubblicato su “Nature Materials”, gli esperimenti hanno dimostrato che è possibile “controllare e selezionare le condizioni in modo tale che si formino i canali durante la separazione di fase”.

“Siamo riusciti a fermare la procedura prima che le due fasi si fondassero nuovamente completamente”, ha spiegato la ricercatrice.

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Inedito metodo di lavorazione dal potenziale sorprendente

La novità di questo metodo di lavorazione dei materiali sta suscitando molto interesse nella comunità dei fisici. “Abbiamo un sistema semplice composto da soli due ingredienti, ma la struttura finale ottenuta è molto complessa e controllata dalle proprietà degli ingredienti“, spiega Fernández Rico, “siamo stati contattati da diversi gruppi di teorici che propongono l’uso di modelli fisici per comprendere i principi chiave di questo nuovo processo e prevederne il risultato”.

Le potenzialità di questa gomma speciale nata per imitare la struttura delle piume di un piccolo uccello blu non si limitano a questo: il nuovo materiale ha un enorme potenziale per quanto riguarda applicazioni tecniche e soluzioni sostenibili.

Un possibile campo di applicazione è quello delle batterie: uno dei motivi principali per cui le batterie perdono la loro capacità di carica nel tempo è che gli ioni (che si muovono tra gli elettrodi attraverso un elettrolita liquido) finiscono col reagire con quest’ultimo, provocando il contatto fisico tra gli elettrodi.

na possibile soluzione a questo problema potrebbe essere nel sostituire l’elettrolita liquido con elettroliti solidi che garantiscano un buon trasporto di ioni proprio grazie a una capillare struttura a rete di canali interconnessi. Esattamente quello che hanno mostrato i ricercatori dell’ETH.

Un’altra possibile applicazione per questo materiale ispirato alle piume d’uccello è nei filtri per l’acqua: in questo caso ad essere particolarmente vantaggioso è il rapporto superficie/volume, che nelle strutture a canale è enorme.

La struttura del nuovo materiale, spiegano gli scienziati, permette di rimuovere in maniera efficace batteri e contaminanti dall’acqua pur facendola viaggiare velocemente.

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I futuri sviluppi della ricerca: tentare coi polimeri naturali

Uno dei grandi vantaggi del nuovo metodo sviluppato nei laboratori del Politecnico di Zurigo è che il processo è completamente scalabile: “In linea di principio potresti usare un pezzo di plastica gommosa di qualsiasi dimensione”, spiega Fernández Rico, anche se poi “servirebbero anche contenitori e forni adeguatamente grandi”.

Il nuovo materiale è ancora lontano dall’essere pronto per il mercato: “Mentre il composto gommoso è economico e facile da ottenere, la fase oleosa è piuttosto costosa. Sarebbero necessarie un paio di alternative più economiche”, spiega la ricercatrice.

Una soluzione potrebbe arrivare dallo sviluppo della ricerca in chiave sostenibile: “Molti polimeri naturali, come la cellulosa o la chitina, hanno una struttura simile alla gomma utilizzata nel nostro lavoro”, afferma Fernández Rico, e costituiscono certamente un’alternativa più sostenibile rispetto alle gomme siliconiche derivate dal petrolio.

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