Nuovi studi stanno portando alla realizzazione dei cosiddetti super materiali, ovvero materiali che hanno caratteristiche aggiuntive, potenziate o completamente rivoluzionarie rispetto a quelle note.
La ricerca di nuovi materiali, sempre più versatili, in grado di soddisfare le esigenze più particolari e affrontare sfide tecnologiche sempre più ambiziose stanno dando risultati strabilianti.
Grazie a qualità come superconduttività, leggerezza e resistenza, gli scienziati saranno in grado di costruire materiali tecnologici sempre più innovativi.
Negli ultimi anni sono stati messi a punto nuovi materiali in grado di aprire nuovi scenari, inaspettati per l’umanità. La pasta nucleare e il legno metallico sono solo alcuni dei nomi più curiosi.
Conosciamoli nel dettaglio.
1. LA PASTA NUCLEARE E IL FULLERENE
- LA PASTA NUCLEARE
Un super materiale è stato scovato negli abissi dello spazio cosmico.
È stato scoperto attraverso una lunga ricerca a opera dell’Università americana dell'Indiana a Bloomington, guidata da Charles Horowitz.
Gli studi sono stati pubblicati sul sito arXiv, in attesa del benestare della comunità scientifica per essere pubblicati poi sulla rivista Physical Review Letters.
Entrare in possesso di un campione sarà un’impresa, per ora impossibile, in quanto il materiale scoperto si trova nel cuore delle stelle di neutroni, ossia lo stadio finale dell’evoluzione delle stelle più massicce, le quali, una volta esaurito il carburante nucleare, subiscono il processo del collasso, diventando un oggetto molto denso ed estremamente compatto (15-20 chilometri di diametro). Nella foto sotto, lo spaccato di una stella di neutroni.
Questi oggetti celesti riescono a produrre pressioni impensabili che rendono la materia super densa e quindi molto pesante. Ad esempio, un cucchiaino di materia equivale al peso di 170 elefanti!
Questo è, finora, il materiale più forte mai scoperto. La sua struttura risulta alquanto insolita e strana: somiglia ad alcune qualità di pasta, come spaghetti e fusilli, ma in comune con essa ha soltanto la forma perché, da simulazioni al computer, la forza di questo materiale è dieci volte tanto quella dell'acciaio.
L'alta densità di queste stelle schiaccia i nuclei della materia e la deforma fino a farle assumere strutture bizzarre, che ricordano appunto quelle della più comune pasta alimentare.
Ecco quindi che potremmo trovarci davanti a materiali la cui struttura può essere laminare come le sfoglie per le lasagne o globulare come gli gnocchi o filamentosa come gli spaghetti. Queste strutture potrebbero essere confermate dall’osservazione delle onde gravitazionali provocate dalle stelle di neutroni.
Per tali conferme si attendono strumenti di nuova generazione, come il telescopio Einstein. I ricercatori suppongono che la loro intensità sia più esigua rispetto alle onde catturate dagli interferometri Ligo e Virgo nel 2017.
- SUPER MATERIALE, COSTO STELLARE
Il fullerene si trova all'interno delle nebulose, ma la sua presenza è stata confermata soltanto ora nelle polveri cosmiche.
Secondo quanto apparso sulla rivista Nature Astronomy, è una delle molecole più complesse identificate nelle nubi interstellari. È stato sintetizzato in laboratorio dall'Università di Oxford.
I fullereni possono assumere forme diverse: sferica (C60), considerata la più stabile, o ellissoidale (C70), e in questo caso sono detti scherzosamente buckyball; oppure tubolare, e in questo caso sono detti buckytube (o nanotubi).
Al momento risulta essere il più costoso materiale esistente: un grammo costa 100 mila dollari. Di recente sono stati venduti dalla Designer Carbon Materials 200 microgrammi (metà del peso di un capello umano) a 32 mila dollari (circa 30 mila euro) a ricercatori statunitensi e britannici che ne studieranno le potenzialità.
Tale molecola, secondo gli scienziati, potrebbe cambiare il modo in cui viene misurato il tempo. Questo grazie alle proprietà intrinseche dell'azoto. Ciò permetterebbe di superare le imprecisioni degli orologi convenzionali.
Inserendo orologi atomici, grandi come un chip, in un comune smartphone o in un dispositivo GPS, la precisione diverrebbe millimetrica!
Nella foto sotto, un'immagine artistica di molecole di fullerene nello spazio.
2. IL LEGNO METALLICO E IL GERMANENE
- IL LEGNO METALLICO
È un tipo di materiale che stanno sviluppando gli scienziati in un laboratorio dell'Università della Pennsylvania.
Il professore in ingegneria meccanica che guida il progetto si chiama James Pikul, e ha realizzato quello che si chiama appunto legno metallico.
La forza di questo particolarissimo materiale è paragonabile a quella del titanio, ma è più leggero dell'alluminio, tant'è che è in grado di galleggiare sull'acqua.
La sua struttura ha poco in comune con il legno, a parte che è estremamente porosa all'interno, quindi presenta molti spazi vuoti tra i vari montanti in nichel che lo compongono. Questi montanti sono alti 10 nanometri (cento atomi di nichel uno sopra l'altro). Nella foto sotto, il professore James Pikul dell'Università della Pennsylvania.
In laboratorio sono stati realizzati pezzi di questo materiale, delle dimensioni di un centimetro quadrato, ognuno fatto da un miliardo di montanti di nichel.
Osservandolo al microscopio, somiglia a un nido d'ape. Questo foglio di nichel, dalla struttura porosa, vuoto per il 70 per cento, che esternamente somiglia al legno, può essere ulteriormente modificato e trasformato (ad esempio, in una specie di batteria, se gli spazi vuoti interni venissero riempiti con materiali anodici e catodici).
Secondo il suo ideatore, si sta operando su scale di lunghezza in cui la forza dei montanti si avvicina al massimo teorico. La sua singolare struttura presenta aree spesse e dense, con montanti in metallo molto forti e aree porose con intercapedini d'aria.
È un materiale unico nel suo genere, super resistente ma per la maggior parte fatto di spazio vuoto. Le sue applicazioni potrebbero andare ben oltre quelle immaginate dagli stessi scienziati.
Sotto, un campione sottilissimo di legno metallico, più sottile di un foglio di alluminio domestico ma in grado di sopportare più di 50 volte il proprio peso senza deformarsi.
- IL GERMANENE
Il germanene è un nuovo materiale, "cugino" del grafene. Il grafene è un materiale a 2D, un foglio di carbonio dello spessore di un atomo.
Il germanene è formato da un singolo strato di atomi di germanio, creato con un processo simile a quello utilizzato per il grafene, e ha notevoli proprietà ottiche ed elettriche, che potrebbero essere sfruttate nei dispositivi tecnologici del futuro.
Questo tipo di materiale è stato sintetizzato da due gruppi di ricerca indipendenti, uno cinese e uno europeo. Quello cinese ha depositato il germanene su un substrato di platino.
Quello europeo ha utilizzato un substrato d’oro; la ricerca è stata coordinata dall'Università provenzale Aix-Marseille e pubblicata sul New Journal of Physics.
La sua sintesi è stata eseguita depositando singoli atomi di germanio su un substrato metallico in condizioni di alta temperatura e di vuoto. Secondo gli scienziati, nel futuro il germanene sarà depositato su sottilissime pellicole d'oro poste su substrati molto flessibili.
Le sue proprietà uniche potrebbero farlo diventare il materiale chiave per i computer quantistici del futuro. Sotto, una rappresentazione al computer del germanene.
3. I NODI MOLECOLARI
Un gruppo di ricercatori dell’Università di Manchester sta lavorando a una nuova e rivoluzionaria generazione di materiali super avanzati.
I risultati della ricerca sono apparsi anche sulla rivista Science. Questo tipo di materiale è una struttura molecolare annodata, prodotta in laboratorio, quindi completamente artificiale.
Sono esattamente «192 atomi disposti in tre fili che si incrociano otto volte, raggiungendo una lunghezza di 20 nanometri (miliardesimi di millimetro)», come ha spiegato David Leigh, che guida la ricerca.
Tale studio prende spunto dall’osservazione delle strutture naturali molecolari. Nelle catene di polimeri i nodi si formano spontaneamente, cioè nelle macromolecole che sono composte da unità che si ripetono collegate tra loro.
Un esempio di molecole naturali con nodi è il plasmide, ovvero il DNA avente struttura circolare, patrimonio genetico di alcuni tipi di batteri. Nelle proteine conosciute, si suppone che i nodi siano presenti nella percentuale di almeno l’un per cento.
Però indurre un nodo in una molecola di sintesi è tutt’altra storia. Finora sono state prodotte solamente tre tipologie di macromolecole contenenti nodi: trifoglio, otto, e pentafoglio. I nodi molecolari sono prodotti casuali di reazioni chimiche.
Recentemente è stato fatto un passo in avanti che ha aperto nuove possibilità alla sintesi di molecole di una complessità superiore, e quindi alla programmazione e futura realizzazione di materiali innovativi.
Sono state messe a punto strategie per avere nodi semplici su piccole molecole, attorcigliando strutture rettilinee e allacciando le estremità di tali strutture.
La ricerca consiste nell'autoassemblaggio: «Il filamento molecolare (formato da ioni di ferro e atomi di azoto, ossigeno, e carbonio) è intrecciato attorno a un singolo ione cloruro e si incrocia in punti specifici, mentre i suoi estremi vengono fusi tra loro tramite un catalizzatore chimico».
Leigh ha spiegato inoltre che «Produrre questi nodi è untecnica usata dal gruppo di processo simile alla tessitura. È un risultato importante perché si tratta della molecola regolare intrecciata più complessa mai ottenuta artificialmente, in cui i tre filamenti molecolari si incrociano in otto punti».
Tessendo catene polimeriche, come si intrecciano le fibre di un tessuto, si potrebbero avere materiali molto più flessibili. Ciò porterebbe a una generazione futura di materiali super resistenti, leggeri e flessibili allo stesso tempo.
Sotto, struttura cristallina di un nodo molecolare a trifoglio.
4. I MATERIALI SUPER IDROFOBICI
Alcuni ricercatori dell'Università di Rochester (USA) sono riusciti a creare un metallo super idrorepellente.
L'innovazione non sta nel rivestimento chimico, ma nel procedimento per renderlo tale. Sono andati a intervenire sulla struttura nanomolecolare, modificandola.
Il metallo è diventato così idrorepellente per natura, cioè questa è diventata una sua proprietà che, tra l'altro, non perderà più, come avviene invece per le superfici ricoperte con rivestimenti idrofobici.
Tale materiale rivoluzionano è stato ottenuto attraverso un trattamento laser, con un fascio di luce ultraveloce (qualche quadrilionesimo di secondo) di una lega di platino, ottone e titanio.
Lo scienziato Chunlei Guo ha applicato tale tecnica, mediante la quale è stata alterata la struttura in scala nanometrica del metallo.
Ciò ha portato alla formazione di fosse, buche, sporgenze, tutte invisibili e che, a seconda della loro disposizione, possono conferire al materiale la caratteristica di materiale super idrofilico (assorbente) o super idrofobico (respingente). Sotto, dettaglio della reazione di gocce d'acqua su un materiale super idrofobico.
Le applicazioni del metallo, ispirato alle proprietà idrorepellenti delle foglie di loto, sarebbero molteplici, in quanto non possiede solo la caratteristica dell'idrorepellenza, ma è anche naturalmente antimicrobico, antighiaccio, antiruggine, tutte caratteristiche che lo collocano nei più diversi settori d'impiego.
Si va dai rivestimenti per aerei, a quelli antigelo per i freezer e auto, ma anche superfici antimicrobiche per bagni pubblici o materiali usati per un'efficace raccolta di acqua piovana.
Essendo di colore nero, si presta bene in tutte quelle applicazioni in cui vi è la necessità di catturare luce e calore, quindi dai pannelli solari alla realizzazione dei sensori.
Ryan Yanashima, del Dipartimento di Chimica e Biochimica dell’Anzona State University (USA), è riuscito a sviluppare un coltello idrofobico. È in grado di ‘tagliare" a metà una goccia d’acqua che poggia su una superficie idrorepellente
Lo scopo sarebbe quello di trovare efficaci metodi per separare le proteine dai fluidi in cui sono contenute durante le analisi di laboratorio. Sotto, un'immagine dei test effettuati in laboratorio sul metallo idropellente.
5. IL MATERIALE A BASE D’ARIA
Super isolante e leggerissimo, è stato ideato da una ricerca internazionale guidata dall'università della California, a Los Angeles, e presentato sulla rivista Science.
Il nuovissimo materiale è composto soprattutto da aria. È un aerogel di ceramica ottenuto con un procedimento inedito.
L'aerogel è un materiale composito, costituito da aria imprigionata in un reticolo di materiale solido, che può essere la ceramica, il metallo, il carbonio. La ceramica conferisce al materiale la leggerezza, ma anche la fragilità e la degradazione, limitandone l'uso come super isolante.
Per aggirare questi inconvenienti, gli scienziati hanno accatastato uno sull'altro fogli sottilissimi di materiale dello spessore di un atomo, ottenendo così una struttura sempre più leggera e isolante, ma resistente.
Sotto, l'aerogel, un materiale traslucido simile al polistirolo (potrebbe essere utilizzato come materiale da costruzione su Marte). .
Il materiale si è rivelato rivoluzionario dopo essere stato oggetto di test per verificarne la reazione se sottoposto a calore elevato. È stato portato fino a 900 gradi centigradi e raffreddato a -198 gradi centigradi, velocemente, più volte.
È stato poi portato alla temperatura di 1500 gradi centigradi per verificarne la resistenza. Laerogel ne è sempre uscito illeso, conservando tutte le sue caratteristiche straordinarie.
Sicuramente lo ritroveremo protagonista nei veicoli spaziali del futuro, perfetto per isolare le navicelle. Sin dagli anni Novanta, gli aerogel di ceramica sono stati impiegati in campo aerospaziale, come rivestimento per alcuni strumenti scientifici durante le missioni dei rover marziani della NASA.
Però i modelli usati finora, anche se ultraleggeri, tendevano a fratturarsi se esposti a continui sbalzi termici; un limite che ne ha impedito un uso più diffuso, spingendo i ricercatori a trovare nuove soluzioni.
L'architettura unica del rivoluzionario materiale invece consente di godere di grande flessibilità e reggere sia in condizioni di calore estremo che in caso di importanti sbalzi di temperatura.
Al contrario di quando accade di solito, l'aerogel si contrae, anziché espandersi, se sottoposto ad aumento della temperatura, riducendo così il rischio di fratturarsi nel tempo.
Nella foto sotto, un test di resistenza dell'aerogel: nonostante la fiamma prodotta dal becco di Bunsen, il fiore appare in perfette condizioni.
