Alla più piccola delle scale, la scienza può diventare piuttosto strana. Così strano infatti che i metalli e altri materiali possano essere alterati per cambiare completamente le loro proprietà, come renderli resistenti all'acqua o ai batteri.

Questo è il cardine di una nuova ricerca che guarda al mondo nascosto delle superfici, con il potenziale per migliorare la nostra vita quotidiana realizzando lavastoviglie che si puliscono da sole o batterie più durature.

Una svolta chiave che ha reso possibile tutto ciò è il laser a impulsi ultracorti. Fino a 10 anni fa questa tecnologia era troppo costosa e non era in grado di produrre una potenza sufficientemente elevata da provocare effetti interessanti applicabili su scala industriale. Ma ora è stato sviluppato a un punto in cui i ricercatori possono usarlo per cambiare la struttura degli oggetti di uso quotidiano.

elettroni

Un laser a impulsi ultracorti è un laser che emette raggi regolari che durano meno di 10 picosecondi, ovvero 10 trilionesimi di secondo. Questa minuscola durata dell'impulso è sufficientemente breve da poter eccitare gli elettroni sulla superficie di un metallo e modificarne le proprietà prima che l'energia venga convertita in calore mentre gli elettroni si "rilassano, "o tornare a uno stato stabile, tra ogni impulso.

"Quindi quello che succede è che hai un sacco di elettroni molto eccitati che viaggiano per il posto, e poi si rilassano tutti, e questo viene convertito in calore in un colpo solo, " ha detto il dottor Adrian Lutey, un ingegnere meccanico e ricercatore presso l'Università di Parma in Italia che lavora a un progetto chiamato TresClean. "E puoi provocare alcune modifiche molto interessanti in questo modo."

TresClean sta esaminando i modi in cui i laser a impulsi ultracorti potrebbero migliorare una serie di settori, in particolare l'industria alimentare e degli elettrodomestici – come lavastoviglie e lavatrici – e indagando i limiti di ciò che potrebbe essere possibile.

Il team sta esplorando come rendere le superfici metalliche resistenti all'acqua usando i laser, tra cui uno dei laser a impulsi ultracorti più potenti al mondo presso l'Università di Stoccarda in Germania, con una potenza media di un kilowatt. I laser creano minuscoli nanosolchi sulla superficie del metallo, e intrappolando bolle d'aria, questo impedisce all'acqua di aderire alla superficie. Questa superficie ruvida ha un effetto simile a una foglia di loto, che ha una chimica superficiale che impedisce all'acqua di attaccarsi.

Antibatterico

Utilizzando questa tecnica, è possibile realizzare superfici antibatteriche idrorepellenti. I batteri prosperano nell'acqua, quindi i tubi e le altre apparecchiature devono essere puliti regolarmente per prevenire qualsiasi tipo di accumulo, un processo che richiede tempo e denaro considerevoli. Ma se la superficie non è mai cresciuta batteri, in primo luogo, questo problema potrebbe essere sradicato.

"Un analogo è un letto di chiodi, le cellule batteriche non hanno un posto a cui attaccarsi, " ha affermato il dottor Lutey. "L'utilizzo della testurizzazione laser per produrre una risposta antibatterica è all'avanguardia".

Finora i risultati sono stati promettenti, con il team che pubblica una serie di documenti di ricerca sull'efficacia della tecnica. Sperano che questo possa avere una serie di applicazioni, ad esempio nell'industria dell'imballaggio alimentare, dove il latte e altri alimenti liquidi vengono trasportati da macchinari. Questo deve essere pulito ogni poche ore utilizzando prodotti per la pulizia forti.

"Se possiamo ridurre la quantità di pulizia richiesta, possiamo ridurre i tempi di fermo macchina e possiamo ridurre qualsiasi rischio di contaminazione dove i prodotti per la pulizia finiscono negli alimenti, " ha detto il dottor Lutey.

Allo stesso modo in lavastoviglie e lavatrici, questo può impedire la formazione di un biofilm - un gruppo di batteri - all'interno della macchina, che può causare l'odore di un serbatoio della lavastoviglie mentre i batteri galleggiano intorno. Con superfici trattate al laser, questi prodotti potrebbero consumare meno acqua e anche sporcarsi di meno.

Le tecniche laser potrebbero essere applicate altrove. Per esempio, le barche hanno un problema comune a che fare con una "melma" di biofilm sui loro scafi dove sono cresciuti i batteri. Ma se lo scafo della barca potesse essere reso resistente all'acqua, allora i batteri non avrebbero un posto dove aggrapparsi.

batterie

Anche le persone che hanno impianti o guidano auto elettriche potrebbero trarre beneficio da queste tecniche. Un progetto chiamato Laser4Surf utilizza impulsi laser ultracorti in diversi campi, dalla produzione di batterie alla medicina.

"L'idea alla base di questo progetto è sviluppare prototipi in grado di ottenere proprietà diverse nelle superfici metalliche, ", ha affermato la coordinatrice del progetto, la dott.ssa Ainara Rodriguez del centro di ricerca Ceit-IK4 in Spagna.

Lei e un team di ricercatori stanno sviluppando prototipi che utilizzano più di 800, 000 impulsi laser per riscaldare il materiale fino a 6, 000°C, che è più calda della superficie del Sole. Questo sublima il materiale, trasformandolo da solido in gas, e permette di alterarne le proprietà.

"Quello che facciamo è irradiare (riscaldare) la struttura del materiale con impulsi laser ultraveloci, che può aumentare l'adesione del materiale, la sua idrofobicità (la capacità di respingere l'acqua), o il colore del metallo stesso, " ha detto il dottor Rodriguez.

Utilizzando i laser per aumentare la superficie delle batterie e prevenire il surriscaldamento, il team spera di aumentare i loro cicli di vita del 30%, e la loro capacità fino al 60%. Ciò aumenta la possibilità in futuro di creare batterie per auto elettriche che si caricano più velocemente e durano più a lungo. In medicina, la testurizzazione laser dovrebbe rendere il legame tra l'osso umano e l'impianto più forte dell'80%.

Fondamentale per il progresso di questa ricerca sarà dimostrare che questa tecnologia può essere avanzata dall'ambiente di laboratorio all'industria. Entro luglio di quest'anno, il team spera di aver sviluppato diversi prototipi che possano testare alcune delle loro idee, prima di esaminare come questo potrebbe essere ampliato per un uso più diffuso.