Da una collaborazione tra un team di fisici dell’Università di Firenze e dell’Accademia delle Scienze di Pechino nasce un nuovo materiale di eccezionale lucentezza che trae ispirazione da un coleottero asiatico. Tra i vantaggi del nuovo materiale non solo il colore particolarmente candido, ma l’intero ciclo produttivo, realizzato a temperatura e pressione ambientale, che apre la strada a una molteplicità di utilizzi.
Candido come… un coleottero!
Cinque anni fa un piccolo insetto, un coleottero asiatico del genere Cyphochilus, ha stupito il mondo dei ricercatori. Una ricerca internazionale pubblicata su Scientific Reports e guidata dai ricercatori del Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non lineare (LENS) dell’Università di Firenze, rivelò che il segreto del candore eccezionale del coleottero è da ricercare nella particolare struttura che riveste l’insetto. Il suo corpo è infatti ricoperto da microscopiche scaglie di un bianco particolarmente intenso pur avendo uno spessore estremamente minore di quello, ad esempio, di un foglio di carta. Rispetto a un semplice foglio di carta, infatti, le scaglie sono organizzate internamente con una fitta rete di filamenti sottilissimi, centinaia di volte più sottili di un capello, che riescono a diffondere la luce in modo molto efficiente.
Dal 2014 ad oggi, molti gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno provato a ricreare il bianco del coleottero imitandone la struttura, ma i risultati pubblicati fino ad ora hanno mostrato materiali ottenuti solo mediante tecniche complesse (ad esempio tramite gas ad altissima pressione o trattamenti agli ultrasuoni) che, oltre a rendere più difficile la fabbricazione su larga scala, sono certamente diverse dai meccanismi che guidano la crescita della struttura dell’insetto.
Il nuovo “bianchissimo” materiale
Una procedura che, al contrario, avviene spontaneamente in condizioni ambientali e ha portato alla realizzazione di un bianco addirittura superiore all’esempio naturale, è stata formulata da un team composto da ricercatori dell’Ateneo (Dipartimento di Fisica e Astronomia, Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non lineare-LENS), insieme all’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM) e all’Accademia delle Scienze di Pechino (National Laboratory for Molecular Sciences, Laboratory of Polymer Physics and Chemistry, Institute of Chemistry).
Come nel caso del rivestimento del coleottero, che è composto da un polimero chiamato chitina, anche per il nuovo materiale è stato scelto di usare un polimero – il polistirene – più comunemente detto polistirolo e conosciuto dai più nella sua forma espansa. La struttura realizzata dai ricercatori è ottenuta a temperatura ambiente in un’atmosfera ricca di vapore acqueo tramite un processo noto come “separazione di fase“, cioè la separazione che avviene spontaneamente in una miscela di polistirene dissolto e acqua.
Il procedimento produttivo
Per meglio comprendere il procedimento produttivo basta prendere ad esempio una soluzione di acqua e olio. Le due sostanze non sono amalgamabili tra loro: se si prova mescolarle si creano delle gocce d’olio in sospensione nell’acqua che successivamente si riuniscono insieme separando completamente le due fasi; tra lo stadio iniziale e quello finale del processo però esiste una vasta gamma di fasi intermedie nelle quali le gocce d’olio cominciano a fondesi fra loro formando via via strutture più estese.
Analogamente si comporta la soluzione acqua – polistirene, il maggiore risultato della ricerca italo-asiatica è stato trovare le giuste dosi dei due materiali e l’ottimale velocità di evaporazione dell’acqua affinché il processo di evaporazione si arresti a uno stadio intermedio nel quale le due fasi formano una struttura particolarmente interessante dal punto di vista ottico.
Il risultato finale è così un’architettura di polistirene composta da una rete di microscopici filamenti e tunnel collegati fra loro: una struttura cosiddetta “bicontinua“, cioè in cui sia i tunnel che i filamenti attraversano tutto il materiale intrecciandosi, ma senza interruzioni.
Vantaggi e impieghi
“Questo tipo di struttura – commentano Pattelli e Wiersma – è particolarmente interessante anche perché ad oggi, a livello industriale, il colore bianco viene tipicamente ottenuto con l’aggiunta di nanoparticelle 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”.
I ricercatori – che tramite misure ottiche hanno calcolato la bianchezza e la brillantezza del nuovo materiale confrontandola con quella del coleottero e giudicandola addirittura superiore – hanno anche scoperto il suo potenziale carattere super-idrofilico. “Se immerso in acqua, ma basta anche il vapore acqueo contenuto in un respiro – concludono i ricercatori –, il materiale diventa temporaneamente trasparente, suggerendo altre possibili applicazioni per sensori di umidità o per monitorare otticamente l’espirazione”.