Nanofibre biomimetiche per rivestimenti dalle caratteristiche sorprendenti

Un nuovo modo di produrre matrici di nanofibre che si ispira a diversi materiali naturali (ad es.: la pelliccia dell’orso polare, le foglie di loto, i peli delle zampe dei Gecko) potrebbe portare alla realizzazione di rivestimenti sintetici innovativi dalle caratteristiche mai viste prima.

Immagine 1 - Un esemplare di geco sopra ad un tavolo. Credits: Getty Images

A seconda delle esigenze i nuovi materiali biomimetici potrebbero essere adesivi, repellenti, isolanti o emettitori di luce.

«Si tratta di una cosa mai vista prima d’ora che pensavo fosse impossibile da ottenere», scrive Joerg Lahann, prof. di ingegneria chimica presso l'Università del Michigan e autore senior dell’articolo pubblicato sulla rivista Science.

I peli dell'orso polare sono strutturati per far passare la luce e per trattenere il calore. Le foglie di loto devono la loro idrorepellenza al fatto che sono rivestite con matrici di microscopici tubi cerati. Gli esemplari di geco riescono a sfidare la forza di gravità grazie ai peli nanoscopici che si trovano sulle piante delle loro zampe, le dimensioni nanoscopiche fanno sì che quando i peli sono in prossimità di altre superfici entrino in gioco le forze atomiche di attrazione.

I ricercatori che cercano di imitare questi materiali naturali dalle caratteristiche eccezionali hanno bisogno di un modo per creare delle minuscole matrici in grado di funzionare in maniera simile. «Fondamentalmente questo è un modo completamente diverso di fare matrici di nanofibre» scrive Lahann.

Immagine 2 - Un'immagine al microscopio elettronico di nanofibre a forma di banana sagomate con un cristallo liquido. Credits: Kenneth Cheng/Lahann Lab/Michigan Engineering

Repellente, adesivo, isolante

I ricercatori hanno dimostrato che le nanofibre (centinaia di volte più piccole di un capello umano) sono idrorepellenti come le foglie di loto. Il team ha realizzato delle fibre dritte e curve e le ha portate a contatto come se fossero del Velcro, le fibre attorcigliate in senso orario e antiorario riuscivano a stare insieme con una forza molto più grande rispetto a due matrici di fibre dritte.

I ricercatori hanno verificato anche le proprietà ottiche delle nanofibre, sono riusciti a creare un materiale che emette luce. Gli scienziati sono convinti inoltre di riuscire a creare una struttura di nanofibre avente delle caratteristiche simili alla pelliccia dell'orso polare, singole fibre strutturate in modo da far passare la luce solare.

Immagine 3 - Un'immagine al microscopio elettronico di due matrici di nanofibre attorcigliate in direzione opposta, ognuna sagomata con un cristallo liquido. Credits: Kenneth Cheng/Lahann Lab/Michigan Engineering.

Le matrici di nanofibre non facevano parte del piano originale dei ricercatori

Ma i "tappeti" molecolari non facevano parte del piano originale. Il gruppo di Lahann stava infatti lavorando con Nicholas Abbott (all'epoca professore di ingegneria chimica presso l'Università del Wisconsin-Madison) per depositare strati sottili di molecole a catena chiamate polimeri sopra i cristalli liquidi.

I cristalli liquidi vengono utilizzati nei TV e negli schermi dei computer. I ricercatori stavano cercando di creare dei sensori in grado di rilevare singole molecole.

Lahann ha portato con se l'esperienza nella produzione di strati sottili e Abbott ha portato la progettazione e la produzione dei cristalli liquidi. Durante esperimenti tipici, il gruppo di Lahann ha fatto evaporare i singoli collegamenti nella catena molecolare per farli condensare sulle superfici.

Ma a volte gli strati polimerici sottili non si materializzano come previsto.

«La scoperta che abbiamo fatto rinforza quello che penso in merito al progresso scientifico, i migliori avanzamenti della scienza e dell'ingegneria avvengono quando le cose non vanno come pianificato» scrive Abbott. »Bisogna soltanto prestare attenzione e guardare agli esperimenti falliti come a delle opportunità» prosegue il ricercatore.

Nanofibre a forma di microscopiche banane

Invece di rivestire la parte superiore del cristallo liquido, i collegamenti sono scivolati nel fluido e hanno creato dei collegamenti reciproci sul lato del vetro. Il cristallo liquido ha quindi guidato le forme delle nanofibre che sono cresciute dal basso, in questo modo di sono creati dei "tappeti" su scala nanoscopica.

«Un cristallo liquido è un fluido relativamente disordinato ma può sagomare la formazione di nanofibre con lunghezze e diametri notevolmente ben definiti» scrive Abbott.

I cristalli liquidi non fanno soltanto fibre dritte. A seconda del cristallo liquido si potrebbero generare fibre curve come banane microscopiche o addirittura delle scale.

«Siamo in grado di controllare il tipo, l'architettura delle fibre e la loro stratificazione», scrive Lahann. «Questo fattore aggiunge davvero un sacco di complessità al modo in cui possiamo ingegnerizzare le superfici, non solo attraverso sottili pellicole bidimensionali ma anche in tre dimensioni» prosegue il ricercatore.

Lo studio “Templated nanofiber synthesis via chemical vapor polymerization into liquid crystalline films.” è stato pubblicato sulla rivista Science