Influenza del modello LC sulla morfologia e organizzazione delle nanofibre. (da A a D) La colonna di sinistra mostra le micrografie ottiche (vista dall'alto, polari incrociate) di modelli LC; gli inserti sono illustrazioni schematiche (vista laterale) dell'ordine molecolare all'interno dei modelli LC. Le due colonne di destra mostrano immagini SEM di nanofibre modellate dai LC. (A) Film nematico di E7 con ancoraggio ibrido e nanofibre a forma di banana risultanti. (B) Film orientato omeotropicamente di una fase A LC smectic e le risultanti nanostrutture polimeriche. (C) Micrografia che mostra la fase LC colesterica di E7 drogata con un drogante chirale mancino (S-811). Le immagini SEM nelle colonne centrale e destra mostrano nanofibre modellate da E7 contenenti droganti mancini (S-811) e destrorsi (R-811), rispettivamente. Le frecce nere e blu nell'inserto indicano l'asse elicoidale e la manualità della torsione, rispettivamente. (D) LC fase blu (BP1) con una spaziatura reticolare cubica di ~ 250 nm e la risultante nanostruttura polimerica. L'inserto nella colonna all'estrema destra mostra un fascio di nanofibre elicoidali. Credito: Scienza (2018). DOI:10.1126/science.aar8449
Ispirato alle straordinarie caratteristiche della pelliccia di orso polare, foglie di loto e piedi di geco, i ricercatori di ingegneria hanno sviluppato un nuovo modo per creare matrici di nanofibre che potrebbero portarci rivestimenti appiccicosi, repellente, isolante o luminescente, tra le altre possibilità.
"Questo è così lontano da qualsiasi cosa io abbia mai visto che avrei pensato che fosse impossibile, " ha detto Joerg Lahann, un professore di ingegneria chimica presso l'Università del Michigan e autore senior dello studio sulla rivista Scienza .
I ricercatori della U-M e dell'Università del Wisconsin hanno fatto la scoperta un po' fortuita, che ha rivelato un nuovo e potente metodo per creare matrici di fibre centinaia di volte più sottili di un capello umano.
I peli dell'orso polare sono strutturati per far entrare la luce evitando la fuoriuscita di calore. Le foglie di loto idrorepellenti sono ricoperte da una serie di microscopici tubuli cerosi. E i peli su scala nanometrica sul fondo dei piedi di geco che sfidano la gravità si avvicinano così tanto ad altre superfici che entrano in gioco le forze di attrazione atomiche. I ricercatori che cercano di imitare questi superpoteri e altri hanno bisogno di un modo per creare i minuscoli array che fanno il lavoro.
"Fondamentalmente, questo è un modo completamente diverso di creare array di nanofibre, "Ha detto Lahan.
I ricercatori hanno dimostrato che le loro nanofibre respingono l'acqua come le foglie di loto. Sono cresciuti fibre dritte e curve e hanno testato come si attaccavano insieme come il velcro, trovando che le fibre attorcigliate in senso orario e antiorario si intrecciavano più strettamente di due matrici di fibre dritte.
Hanno anche sperimentato proprietà ottiche, facendo un materiale che brillava. Credono che sarà possibile realizzare una struttura che funzioni come la pelliccia di un orso polare, con singole fibre strutturate per incanalare la luce.
Ma i tappeti molecolari non erano il piano originale. Il gruppo di Lahann stava lavorando con quello di Nicholas Abbott, all'epoca professore di ingegneria chimica alla UW-Madison, mettere film sottili di molecole a catena, chiamati polimeri, sopra i cristalli liquidi. I cristalli liquidi sono meglio conosciuti per il loro uso in schermi come televisori e schermi di computer. Stavano cercando di creare sensori in grado di rilevare singole molecole.
Lahann ha portato l'esperienza nella produzione di film sottili mentre Abbott ha guidato la progettazione e la produzione dei cristalli liquidi. In esperimenti tipici, Il gruppo di Lahann fa evaporare i singoli anelli della catena e li induce a condensare sulle superfici. Ma i sottili film polimerici a volte non si sono materializzati come previsto.
"La scoperta rafforza la mia opinione che i migliori progressi nella scienza e nell'ingegneria si verificano quando le cose non vanno come previsto, " ha detto Abbott. "Devi solo stare attento e vedere gli esperimenti falliti come opportunità".
Invece di rivestire la parte superiore del cristallo liquido, i collegamenti sono scivolati nel fluido e si sono collegati tra loro sul vetrino. Il cristallo liquido ha poi guidato le forme delle nanofibre che crescono dal basso, creazione di tappeti su scala nanometrica.
"Un cristallo liquido è un fluido relativamente disordinato, tuttavia può modellare la formazione di nanofibre con lunghezze e diametri notevolmente ben definiti, " ha detto Abbott.
E non hanno solo fatto fili dritti. A seconda del cristallo liquido, potrebbero generare fibre curve, come banane microscopiche o scale.
"Abbiamo molto controllo sulla chimica, il tipo di fibre, l'architettura delle fibre e come le depositiamo, " Ha detto Lahann. "Questo aggiunge davvero molta complessità al modo in cui possiamo progettare le superfici ora; non solo con sottili film bidimensionali, ma in tre dimensioni."
Lo studio è intitolato "Sintesi di nanofibre modellate tramite polimerizzazione chimica a vapore in film cristallini liquidi".