Rugosità, la presenza di irregolarità su una superficie, è comunemente associato a un movimento più lento e appiccicoso. Questo è vero a diverse scale di lunghezza:a dimensione umana (1 metro), ci vuole più tempo per percorrere un sentiero che va su e giù, piuttosto che camminare su una strada pianeggiante. Alla dimensione di oggetti più piccoli (1/100 - 1/1000 metro), Gli italiani usano formati di pasta dalla superficie ruvida, per esempio. rigatoni, per rendere migliori superfici adesive per la salsa di pomodoro e il formaggio. Fino ad ora, però, nessun esperimento è stato in grado di verificare se il comportamento delle molecole segue realmente la stessa tendenza osservata su scala umana.

Ora, scrivendo in Lettere di revisione fisica , Cristian Rodriguez-Tinoco e un team della Facoltà di Scienze dell'Université libre de Bruxelles (ULB) guidato da Simone Napolitano mostrano che le grandi molecole si muovono effettivamente più velocemente in prossimità di superfici più ruvide su scala nanometrica. I loro esperimenti dimostrano chiaramente che la credenza comune che le irregolarità superficiali consentono alle molecole di aderire meglio a una superficie è in realtà sbagliata. Quando la dimensione della rugosità superficiale, cioè la distanza media tra le minuscole colline e valli presenti sulla superficie di un materiale, si riduce a pochi nanometri (1 nm =un miliardesimo di metro), molecole di P4ClS, un tipo di polimero, iniziare a muoversi più velocemente.

Rilevare il movimento molecolare non è facile:le molecole si muovono velocemente (fino a 1 milione o più di movimenti al secondo) e i loro spostamenti sono troppo piccoli per essere osservati al microscopio. L'esecuzione di tali esperimenti su una superficie ruvida è ancora più complicata, a causa del suo carattere irregolare e delle difficoltà nell'aggiustare la dimensione e la distribuzione delle irregolarità della superficie. Il team dell'ULB è stato in grado di formare una superficie ruvida sull'alluminio evaporando il metallo in modo controllato. Per misurare la velocità con cui si muovono le molecole, i ricercatori hanno applicato deboli campi elettrici e registrato la velocità con cui le molecole rispondono allo stimolo.

Sorprendentemente, il team ha notato che le molecole presenti vicino a un substrato ruvido si comportano come se fossero circondate da meno vicini, il che spiega perché accelerano invece di rallentare. Questa tendenza è in disaccordo con le previsioni delle simulazioni al computer, che propongono che le molecole si muovano più lentamente vicino a un'area ruvida. Contrariamente alle ipotesi delle simulazioni, le molecole polimeriche non si fermano vicino al substrato ruvido. A causa del modo in cui queste molecole tendono a disporsi nello spazio, preferiscono allontanarsi dalle asperità. Le poche molecole presenti in prossimità delle asperità formano meno contatto con la parete, può godere di più volume libero e, di conseguenza, si muovono più velocemente.

Condividendo i loro risultati con un gruppo di teorici del Dartmouth College (USA) guidato da Jane Lipson, il team dell'ULB è riuscito a trovare un forte legame tra il modo in cui le colline e le valli sono organizzate su una superficie ruvida e il modo in cui le molecole si muovono. I teorici hanno dimostrato che un piccolissimo cambiamento nel volume libero attorno a una molecola induce un enorme aumento della mobilità, e le previsioni dei loro calcoli sono in perfetto accordo con gli esperimenti.

Questo documento mostra che l'attuale modo in cui pensiamo alle interfacce non è valido. Questa nuova tendenza molecolare osservata ha quindi un enorme impatto a livello di scienza fondamentale. Il lavoro del team ULB potrebbe essere sfruttato su un gran numero di applicazioni. Per quasi un decennio, diversi gruppi di ricerca hanno dimostrato che le proprietà di molti rivestimenti sottili, come il flusso, la capacità di trattenere o respingere l'acqua, la velocità di formazione dei cristalli dipende dal numero di contatti tra un film e il suo substrato di supporto. Fino ad ora, per modificare questo numero è stato necessario cambiare il tipo di molecole all'interfaccia, spesso implicano reazioni chimiche complesse. Questi risultati mostrano che è possibile personalizzare le prestazioni dei nanomateriali semplicemente modificando la rugosità della superficie. Questo metodo, quindi, permette di controllare uno strato polimerico senza toccarlo, come usando un telecomando!