RICERCA
Camminare sui muri con le nanotecnologie
di AARON DALTON





L’UMILE GECO potrebbe servire a molto più che a fare da mascotte a compagnie di assicurazioni per auto come la Geico. Queste minuscole lucertoline potrebbero costituire la chiave di volta per ottenere adesivi ad alta potenza. Quello di “dita appiccicose”, che per gli esseri umani potrebbe rappresentare un insulto gravissimo, è invece un attributo che descrive alla perfezione tali animali, a cui le zampe pelose garantiscono la fenomenale capacità di restare appesi con un dito solo a qualsiasi superficie verticale, anche la più sdrucciolevole. I ricercatori del Rensselaer Polytechnic Institute e della University of Akron hanno usato le loro conoscenze a proposito dei meccanismi che rendono i gechi così “appiccicosi” per creare un tappeto di nanotubi al carbonio superviscosi che potrebbero costituire il materiale di base delle future tipologie di adesivi. In questo caso specifico, la scienza ha addirittura superato la natura, producendo fasci di nanotubi con una forza adesiva 200 volte superiore a quella delle zampe del geco. “Il motivo per cui questi materiali (i nanotubi) presentano caratteristiche così eccezionali è che creano strutture assolutamente uniche”, spiega Ali Dhinojwala, responsabile del team di ricerca. “Generalmente, sono i difetti che ci impediscono di ottenere le proprietà che vogliamo, ma i nanotubi, quando vengono assemblati, sono relativamente non difettati, il che ne determina la forza e le migliori prestazioni”, continua l’esperto.

Dhinojwala e colleghi non sono i soli a interessarsi delle zampe del geco. Nel 2002, un gruppo di studiosi impegnati nello studio di queste creature è riuscito a spiegare al mondo in che modo i gechi riescano a restare incollati alle superfici. Realizzando peli di geco sintetici a partire da materiali diversi hanno scoperto che la potenza adesiva di questo animale non è una questione di chimica quanto di geometria, relativa alla forma e dimensione delle punte dei peli. I gechi hanno zampe estremamente pelose. Ogni zampa è ricoperta da mezzo milione di minuscole setole – setae - lunghe 50 mila manometri (una lunghezza spesso paragonata allo spessore di un capello umano). Ogni setola si suddivide a sua volta in centinaia di peletti ancora più piccoli, detti spatulae, larghi appena 200 nanometri. All’epoca, il team di ricerca ha scoperto che setae e spatulae, organizzate tra loro in un dato modo, tengono i gechi ancorati alle pareti per mezzo di una forza di attrazione intermolecolare detta forza di van der Waals, e che è stata utilizzata anche per spiegare altri fenomeni, dalla formazione dei fiocchi di neve alle acrobazie dei ragni. I primi tentativi di ottenere strutture adesive sintetiche sul modello dei peli di geco ha fatto ricorso a microsostegni di plastica assemblati tramite un processo noto come fotolitografia. L’efficacia di tale approccio era limitata dalla relativa fragilità dei sostegni in plastica e dall’intrinseca disparità di dimensioni tra i peli del geco – nell’ordine di manometri – e le strutture di plastica – nell’ordine di micron (un micron equivale a mille manometri).

L’approccio a partire dall’infinitamente piccolo e basato sui nanotubi utilizzato dal team di Dhinojwala presenta parecchi vantaggi rispetto alla precedente tecnica dei microsostegni in plastica sia per quanto concerne la potenza meccanica che per le dimensioni. I nanotubi sono di grandezza analoga alle vere setae di un geco e quindi più suscettibili di mostrare le medesime proprietà van der Waals. Il team di Dhinojwala li ha inseriti in un particolare tipo di plastica, il polimetile metacrilato (o Pmma). In questo modo i ricercatori hanno potuto mantenere i nanotubi in posizione e contemporaneamente garantire una piattaforma flessibile in grado di operare come le zampe dei gechi portando i tubi a stretto contatto con un’altra superficie. C’era un solo problema: per processare i nanotubi al carbonio ci volevano temperature da 800 gradi centigradi, un contesto in cui la plastica non può resistere. Per ovviare all’inconveniente, Dhinojwala e colleghi hanno coltivato i nanotubi su un disco di silicio che sopporta tutto quel calore e successivamente trasferisce le strutture ormai raffreddate al Pmma. “L’aspetto più interessante della ricerca sta nel fatto di aver preso questi due materiali così disparati (i nanotubi e il Pmma) e di averli uniti a riprodurre un qualcosa di esistente in natura”, spiega Dhinojwala, il cui team ha pubblicato il suo studio su Chemical Communications.

Il successo ottenuto da Dhinojwala con i nanotubi è solo l’ultimo di una lunga serie di esempi di quanto le strutture su piccola scala possano mostrare elevate capacità adesive grazie a una geometria rigorosamente definita, commenta Alfred Crosby, docente di scienza dei polimeri e ingegneria alla University of Massachusetts Amherst. “L’idea di sfruttare la geometria su scala infinitesimale per controllare le potenzialità adesive è al centro di un’entusiasmante area di ricerca”, aggiunge. Dhinojwala e il suo team non tenteranno di realizzare tappeti di nanotubi su scala maggiore. Il più esteso resterà di appena un centimetro quadrato. Il successo in laboratorio potrebbe tradursi nella realizzazione di adesivi che funzionino meglio di quelli usati correntemente nelle condizioni specifiche delle missioni spaziali: gli astronauti potrebbero un giorno fluttuare nel cosmo portando con sé gli equipaggiamenti essenziali grazie a dei guanti potenziati con strutture di nanotubi al carbonio sulla punta delle dita. O ancora, se tali adesivi si rivelassero abbastanza forti, gli stessi guanti potrebbero essere usati anche qui sulla Terra, per aiutare l’uomo a realizzare il suo antico sogno di camminare sui muri come un ragno. O meglio, come un geco.

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