Dall’abbigliamento sportivo ai telai delle biciclette, dagli scafi delle barche alle monoscocche delle monoposto di Formula Uno, dagli arti agli organi artificiali, già oggi disponiamo di materiali capaci di prestazioni impensabili fino a pochi anni fa.
Magia? No, sono i nuovi materiali prodotti dalla ricerca più avanzata.
Ma il futuro appartiene a composti sempre più rivoluzionari: un settore di ricerca che impegna fisici, chimici, ingegneri e persino biologi, che “interrogano la materia” a diverse scale per scoprirne i segreti.
La loro è una straordinaria sfida scientifica che sta cambiando il mondo in moltissimi campi.
Sono infatti in corso ricerche che sviluppano materiali per l’elettronica, altre che perfezionano le vernici e le sostanze di rivestimento impiegate nel restauro dei monumenti, altre ancora che creano plastiche dalle caratteristiche straordinarie.
Ma ci sono anche discipline, come le nanotecnologie, che indagano i comportamenti della materia in condizioni particolari ed esplorano il mondo dell’infinitamente piccolo sino a livelli ultra microscopici per ottenere materiali dal notevole profitto economico.
Si calcola infatti che nelle nazioni più avanzate l’attività nel campo dei materiali innovativi contribuisca in modo diretto o indiretto a realizzare dal 30 al 40 per cento della ricchezza.
Ecco che cosa sta “bollendo in pentola” nei laboratori più avanzati del mondo.
1. Nuovo grafene e il più adattabile
- Nuovo grafene? Come gli occhi delle falene
Celle solari molto più efficienti delle attuali nell’assorbire la luce, carta da parati e “finestre intelligenti” in grado di produrre energia raccogliendo calore e luce: tutto ciò diventerà possibile grazie a un nuovo impiego del grafene.
Prezioso per le sue notevoli proprietà di conduttività e resistenza, questo materiale era finora considerato poco adatto a catturare la luce a causa della sua estrema sottigliezza: è infatti costituito da un singolo foglio di atomi di carbonio.
Ricercatori dell’Istituto di tecnologia avanzata dell’Università inglese del Surrey hanno però scoperto il modo di migliorarlo, prendendo spunto dagli occhi delle falene: una serie di microscopiche protuberanze, disposte secondo uno schema esagonale, che consentono a questi insetti di vedere in condizioni di scarsissima luminosità e, al contempo, di sfuggire ai predatori incanalando la luce direttamente al centro dell’occhio.
Imitandone il funzionamento, i ricercatori hanno creato un foglio di grafene composto da atomi di carbonio disposti in un reticolo a nido d’ape, in modo da incanalarvi la luce.
Grazie a questa tecnica il nuovo materiale sarà in grado di catturare anche la più piccola quantità di luce avente uno spettro che va dall’ultravioletto all’infrarosso.
- Il più adattabile
Estensibile in tutte le direzioni e ripetutamente e conduttore di elettricità: è il materiale realizzato dall’École polytechnique fédérale di Losanna (Svizzera).
Ottenuto versando metalli liquidi su una pellicola a base di polimeri, rivoluzionerà il settore dei dispositivi tecnologici indossabili.
La pellicola, infatti, segue perfettamente il corpo umano e se ne potranno ricavare nuovi accessori per controllare specifiche funzioni biologiche.
I metalli impiegati sono gallio e oro. Il primo ha buone proprietà elettriche e un punto di fusione intorno ai 30 °C. Ciò gli consente di sciogliersi in mano e di rimanere liquido a temperatura ambiente.
L’oro, invece, permette al gallio di rimanere omogeneo a contatto con un polimero, impedendone la separazione in gocce che ne altererebbe la conducibilità.
2. L’aerogel superleggero e le celle più sottili
- L’aerogel superleggero
È l’aerogel di grafene, creato da un team dell’università di Zhejiang, in Cina.
Il nuovo materiale è ricavato da un gel nel quale la componente liquida è sostituita da un gas.
Allo stato solido si presenta con una densità estremamente bassa: pesa infatti appena 0,16 milligrammi per centimetro cubo.
È così leggero che non fa nemmeno piegare i petali di un fiore sui quali viene posato. A dispetto della sua apparente fragilità, l’aerogel è anche dotato di un’eccellente elasticità e riprende subito la forma dopo essere stato compresso.
Idealmente paragonabile a una spugna, s’imbeve velocemente: un solo grammo può assorbire 68,8 grammi di liquidi al secondo ed è quindi una delle sostanze più adatte per ripulire le fuoruscite di petrolio in mare.
Oltre che per combattere l’inquinamento, l’aerogel di carbonio può essere impiegato come ottimo materiale isolante per lo stoccaggio dell’energia, funzionare come vettore catalitico ed essere impiegato come isolante acustico.
- Le celle più sottili
Ricercatori del Massachusetts Institute of Technology di Boston hanno realizzato celle solari in grado di produrre elettricità quando colpite dalla luce.
Sottili e flessibili, possono essere adagiate persino su una bolla di sapone senza farla scoppiare (nella foto sotto).
Sono formate da 3 elementi: un substrato di supporto, un materiale fotosensibile e un rivestimento di protezione dall’ambiente esterno.
Per il substrato e il rivestimento è stato impiegato un polimero flessibile (Parylene), usato sia per proteggere apparati biomedicali che devono essere impiantati nel corpo umano sia circuiti stampati elettronici che vanno protetti dall’ambiente esterno.
Per realizzare lo strato che produce la corrente è stato invece usato un materiale organico (Dbp), un solvente impiegato anche nel riciclaggio della carta.
La nuova cella solare ha uno spessore 50 volte inferiore a quello di un capello e può produrre 6 watt per grammo.
Genera cioè 400 volte più energia rispetto ai moduli fotovoltaici in silicio, che producono 15 watt per chilogrammo.
3. Il metallo piuma
Cento volte più leggero del polistirolo ma molto resistente, è stato sviluppato dall’azienda aerospaziale Boeing in collaborazione con l’Università della California e il California Institute of Technology.
Costituito al 99,9 per cento di aria, ha l’aspetto di un micro-reticolo metallico, la cui struttura può essere paragonata a quella delle ossa.
La parte esterna, infatti, è rigida mentre quella interna è cava. Il reticolo è formato da cilindri di nichel interconnessi, vuoti all’interno e più sottili di un capello umano.
Questa particolare conformazione, detta “a celle aperte”, dona al materiale una straordinaria resistenza alla compressione, tale che riuscirebbe a proteggere un uovo in caduta libera dal tetto di un palazzo alto 25 piani.
Oltre ad avere una densità molto bassa, il supermetallo dà luogo a comportamenti meccanici mai osservati prima, tra cui il recupero completo della compressione e un elevato assorbimento di energia.
Per questo se ne prospetta l’impiego nella costruzione di automobili, aerei e veicoli spaziali più leggeri, motori più efficienti, dispositivi elettronici e biomedici.
4. Il mangia umidità
L’hanno chiamata Upsalite, dal nome dell’università di Uppsala, in Svezia, dove è stata creata per una distrazione dei ricercatori.
Si tratta della sostanza più assorbente al mondo che si è concretizzata quando alcuni ricercatori del Dipartimento di nanotecnologia hanno dimenticato del carbonato di magnesio in un reattore chimico per un intero weekend.
Il risultato è stato un gel rigido che si solidificava se scaldato in un forno e la cui superficie, vista al microscopio, appariva formata da una miriade di piegoline porose.
Un solo suo grammo, costellato da 26 trilioni di microscopici pori, se venisse disteso su una superficie piana coprirebbe una superficie di 800 metri quadrati, più di tre campi da tennis affiancati.
Queste caratteristiche donano all’Upsalite un altissimo potere idrofilo, le consentono cioè di assorbire anche a bassi livelli di umidità molta più acqua dei materiali finora conosciuti, rendendola preziosa per vari impieghi.
Per evitare condense su materiali elettronici, per depurare l’aria dopo un incendio e per assorbire emissioni tossiche gassose, agenti chimici dispersi nell’ambiente o sversamenti di petrolio in mare.
5. Più nero del nero
Si chiama Vantablack il nuovo materiale creato dall’azienda britannica Surrey NanoSystems formato da nanotubi di carbonio.
Il suo nome deriva dall’acronimo Vanta, che sta per “Vertically Aligned NanoTube Arrays” (schiere di nanotubi allineati verticalmente), e black, nero.
La sua qualità principale è di essere così scuro che gli spettrometri non sono in grado di stabilire quanta luce rifletta, ammesso che lo faccia.
Una precedente versione del Vantablack assorbiva il 99,96 per cento della luce, restituendone appena lo 0,04, ma in questa nuova variante la percentuale è scesa ulteriormente facendone virtualmente il materiale più nero esistente.
Questa sua qualità lo rende particolarmente adatto per realizzare camere a infrarossi, sensori e strumenti scientifici, ma anche in campo energetico per assorbire la luce solare convertendola in calore.
Il Vantablack potrebbe inoltre essere utilizzato in campo militare per la realizzazione di indumenti per le truppe impegnate in missioni notturne o per la creazione di rivestimenti per aerei e droni stealth.
