TU Vienna (Vienna), KU Leuven e l'Università di Zurigo hanno scoperto una superficie robusta le cui proprietà adesive e bagnanti possono essere modificate utilizzando l'elettricità. Questo straordinario risultato è presente sulla copertina di Natura rivista.

Quando la pioggia cade su una foglia di loto, la foglia non si bagna. Grazie alla sua particolare struttura, le gocce d'acqua scivolano via senza bagnare la superficie. I materiali artificiali possono essere resi idrorepellenti, pure. È, però, estremamente difficile produrre una superficie con bagnatura commutabile. Ora, un gruppo di ricerca di TU Wien, KU Leuven e l'Università di Zurigo sono riusciti a manipolare una superficie di un singolo strato di nitruro di boro in modo tale che possa essere commutata avanti e indietro tra stati con alta e bassa bagnatura e adesione.

Esagoni che fanno onde

"Una delle proprietà fisiche più interessanti di una superficie è la sua aderenza o attrito statico, " dice Stijn Mertens (Istituto di Fisica Applicata presso l'Università di Tecnologia di Vienna, e associata a KU Leuven in Belgio). "Questa forza deve essere superata affinché un oggetto sulla superficie inizi a scivolare".

La nanostruttura della superficie determina in larga misura la sua aderenza:i dettagli del contatto tra la superficie e un altro oggetto (ad esempio, una goccia di liquido) dipendono dalla geometria dei suoi atomi e da altre proprietà. Questo a sua volta è cruciale per l'adesione, aderenza e bagnatura. Il rapporto tra aderenza e bagnatura, però, è finora solo poco compreso.

"Proprio come il materiale grafene è costituito da un solo strato di atomi di carbonio, il nostro nitruro di boro, che contiene tanto boro quanti atomi di azoto, ha uno spessore di un solo strato atomico, " spiega Thomas Greber dell'Istituto di fisica dell'Università di Zurigo. Questo strato ultrasottile può essere coltivato su un singolo cristallo di rodio. Gli atomi sulla superficie del rodio e nel nitruro di boro formano un modello esagonale, ma le distanze tra gli atomi nei due materiali sono diverse. Tredici atomi nel nitruro di boro occupano lo stesso spazio di dodici atomi di rodio, in modo che i due cristalli non combacino perfettamente. A causa di questa mancata corrispondenza, gli esagoni di nitruro di boro devono piegarsi, appaiono come un'onda congelata con una lunghezza d'onda di 3,2 nanometri e un'altezza di circa 0,1 nanometri.

"Proprio questa nanoonda bidimensionale influenza la bagnatura della superficie da parte dell'acqua, " dice Stijn Mertens. In ogni caso, la sovrastruttura in nitruro di boro può essere appiattita con un semplice accorgimento:immergendo il materiale in acido e applicando una tensione elettrica, gli atomi di idrogeno si insinuano sotto lo strato di nitruro di boro e modificano il legame tra azoto e rodio. Questo rende piatto il nitruro di boro. Improvvisamente l'adesione di una goccia d'acqua sulla superficie cambia drasticamente, anche se la goccia è 100.000 volte più grande delle minuscole onde nel nitruro di boro. Se la tensione diminuisce, questo effetto è invertito:"Possiamo cambiare la superficie ancora e ancora tra questi due stati, " spiega Stijn Mertens.

La macchina per misurare le gocce

Per studiare la bagnatura della superficie e applicare la tensione allo stesso tempo, uno strumento è stato costruito appositamente per questo scopo, in cui una goccia di liquido viene portata in superficie attraverso un sottilissimo tubo di vetro. La goccia viene ingrandita e rimpicciolita e allo stesso tempo ne viene registrata la forma. Il fatto che la forma della goccia sia piatta o più arrotondata dipende dalle proprietà della superficie.

I concetti per alternare la bagnatura di una superficie avanti e indietro sono in circolazione da un po'. Per esempio, molecole organiche che cambiano forma con la luce di un certo colore possono essere attaccate alla superficie. Però, tali molecole sono molto più complesse e fragili dei materiali qui studiati. "La nostra superficie è costituita da un solo strato di atomi, è completamente inorganico e non cambia anche se lo riscaldiamo sotto vuoto a 1000 °C, " concordano Stijn Mertens e Thomas Greber. "Ciò significa che questo materiale potrebbe essere utilizzato anche per applicazioni in cui le molecole organiche verrebbero a lungo distrutte, che vanno dalla vita quotidiana ai viaggi nello spazio."