I metamateriali sono sostanze artificiali le cui proprietà sono determinate dalla loro struttura meticolosamente progettata. Per esempio, i metamateriali possono essere fabbricati in modo che interagiscano con la luce o il suono in un modo specifico. Strutture superficiali uniche svolgono un ruolo vitale nei metamateriali, e gli scienziati hanno iniziato a cercare nella natura stessa superfici modellate da cui trarre ispirazione.

Ora, Kotara Kajikawa e Yuusuke Ebihara al Tokyo Institute of Technology, insieme a Masayuki Shimojo allo Shibaura Institute of Technology, Giappone, hanno fabbricato un nuovo "biometamateriale" utilizzando una foglia di loto come modello. La nuova sostanza è in grado di assorbire quasi totalmente la luce attraverso l'intero spettro visibile.

I ricercatori hanno sfruttato la struttura unica delle cellule sulla superficie di una foglia di loto. Le ciglia sulle foglie hanno la forma di minuscoli, orientato in modo casuale, nanotubi simili a maccheroni, ciascuno misura circa 100 nanometri (nm) di diametro (vedi immagine). Il team ha ipotizzato che una tale struttura potrebbe confinare efficacemente la luce.

Kajikawa e i suoi colleghi hanno ricoperto una serie di foglie diverse con un sottile strato di pellicola dorata, applicato in due modi diversi. L'evaporazione sotto vuoto mediante riscaldamento termico ha distrutto le strutture di nanobarra sulla superficie della foglia, ma una tecnica di "sputtering" spray ha avuto molto più successo. Il rivestimento in oro risultante variava in spessore da 10 nm a 30 nm su diversi campioni. Oltre alle foglie di loto, hanno anche usato foglie di altre tre piante come controlli.

I ricercatori hanno scoperto che il biometamateriale d'oro spesso 10 nm creato utilizzando foglie di loto mostrava una riflettività inferiore a 0,01 attraverso l'intero spettro visibile. I calcoli hanno mostrato che la bassa riflettività, che si traduce in un assorbimento quasi completo della luce sulla superficie del materiale, sembra provenire dalle nanobarre orientate casualmente sulla superficie della foglia.

Sono in corso ulteriori lavori per vedere se Kajikawa e il suo team possono trovare un modo semplice ed efficace per rimuovere il biometamateriale d'oro dal modello fogliare una volta creato.

Progressi nei metamateriali

Creare materiali sintetici per manipolare le onde elettromagnetiche non è un concetto nuovo. Infatti, l'idea dei metamateriali esiste da almeno 100 anni, ma è solo negli ultimi decenni che la tecnologia ha davvero cominciato a decollare. Disegnando la forma, geometria e orientamento di un materiale con precisione precisa, proprietà che non sono possibili in natura.

Questo non vuol dire che la natura non svolga un ruolo significativo nella progettazione di tali materiali. Recentemente, i ricercatori hanno iniziato a studiare le strutture superficiali su nanoscala e i modelli cellulari nelle piante con la speranza che le superfici naturali forniscano ispirazione e modelli per nuovi "biometamateriali".

Le recenti tecnologie costruite utilizzando metamateriali includono assorbitori di luce, sensori, filtri ottici e dispositivi di occultamento, per citarne solo alcuni. C'è un grande potenziale per nuovi design di metamateriali con proprietà uniche e precise.

Metodologia

Il biometamateriale fabbricato da Kotaro Kajikawa e collaboratori utilizza le strutture nanometriche uniche sulle foglie di loto, il cui ruolo principale è creare una superficie altamente idrorepellente per le foglie. Queste strutture sono sotto forma di nanobarre orientate casualmente, che il team riteneva avrebbe fornito un modello utile per un metamateriale progettato per assorbire la luce.

I ricercatori hanno sperimentato due metodi per creare un metamateriale a base d'oro sulla superficie delle foglie:l'evaporazione sotto vuoto usando il calore e una tecnica di "sputtering". Il primo di questi ha portato a un risultato completamente liscio, superficie riflettente dorata perché le strutture di nanorod erano crollate per riscaldamento. Lo sputtering ha funzionato molto meglio:le immagini al microscopio elettronico a scansione hanno rivelato che i nanorod intatti orientati casualmente sono stati preservati, e risultati promettenti sono stati ottenuti in un biometamateriale costituito da uno strato d'oro molto sottile di 10 nm.

Questo studio evidenzia il potenziale nell'utilizzo di superfici naturali per generare metamateriali molto precisi per scopi specifici. Il team sta ora lavorando su come rimuovere il biometamateriale dalla foglia una volta che è stato creato, un processo complicato che i ricercatori ritengono possa essere ottenuto con una forma di trattamento chimico.