Un nuovo processo sviluppato al Caltech consente per la prima volta di produrre grandi quantità di materiali la cui struttura è progettata su scala nanometrica, la dimensione della doppia elica del DNA.

Pioniere della scienziata dei materiali Caltech Julia R. Greer, "materiali nanoarchitetti" espongono insoliti, proprietà spesso sorprendenti, ad esempio ceramiche eccezionalmente leggere che tornano alla loro forma originale, come una spugna, dopo essere stato compresso. Queste proprietà potrebbero essere desiderabili per applicazioni che vanno dai sensori tattili ultrasensibili alle batterie avanzate, ma così lontano, gli ingegneri sono stati in grado di crearli solo in quantità molto limitate. Per creare un materiale la cui struttura è progettata su così piccola scala, spesso devono essere assemblati nanostrato per nanostrato in un processo di stampa 3D che utilizza un laser ad alta precisione e prodotti chimici sintetizzati su misura. Questo scrupoloso processo limita la quantità complessiva di materiale che può essere costruito.

Ora, un team di ingegneri del Caltech e dell'ETH di Zurigo ha sviluppato un materiale progettato su scala nanometrica ma che si assembla da solo, senza bisogno dell'assemblaggio laser di precisione. Per la prima volta, sono stati in grado di creare un campione di materiale nanoarchitettonico alla scala di un centimetro cubo.

"Non siamo riusciti a stampare in 3D così tanto materiale nanoarchitettonico nemmeno in un mese; invece siamo in grado di coltivarlo in poche ore, "dice Carlos Portela, borsista post-dottorato al Caltech e autore principale di uno studio sul nuovo processo pubblicato dalla rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ) il 2 marzo.

Alla nanoscala, il materiale sembra una spugna ma in realtà è un insieme di gusci curvi interconnessi. Questa è la chiave per l'elevato rapporto rigidità e resistenza-peso del materiale:i gusci sottili e arrotondati, come quelli di un uovo, sono privi di angoli o giunzioni, che di solito sono punti deboli che portano a guasti in altri materiali simili. Ciò fornisce vantaggi meccanici unici con un minimo di materiale effettivamente utilizzato. Nella prova, un campione del materiale è stato in grado di raggiungere rapporti di resistenza-densità paragonabili ad alcune forme di acciaio, mentre le configurazioni con pareti più sottili mostrano danni e recupero trascurabili dopo ripetute compressioni.

"Questo nuovo percorso di fabbricazione, supportato dall'analisi sperimentale e numerica che abbiamo condotto, ci avvicina di un passo alla produzione di materiali nanoarchitetturati su scala utile, con una spiccata facilità di realizzazione, "dice Greer, Ruben F. e Donna Mettler Professore di Scienza dei Materiali, Meccanica, e Medical Engineering e coautore del documento PNAS.

Sebbene sia misurabilmente più resiliente di quasi tutti i materiali nanoarchitettonici con densità simili sintetizzati dal gruppo Greer, ciò che rende particolarmente speciali questi cosiddetti materiali nanolabirintici è che si assemblano da soli. Questo traguardo, guidato dallo studente laureato Caltech Daryl Yee, funziona così:due materiali che non si dissolvono l'uno nell'altro vengono mischiati insieme, mescolandoli per creare uno stato disordinato. Il riscaldamento della miscela polimerizza i materiali in modo che la geometria attuale venga bloccata in posizione. Uno dei due materiali viene quindi rimosso, lasciando gusci su scala nanometrica. Il modello poroso risultante viene successivamente rivestito, e quindi il secondo polimero viene rimosso. Ciò che resta è una rete nano-shell leggera.

Il processo richiede estrema precisione; se riscaldato in modo errato, la microstruttura si fonderà insieme o collasserà e non porterà a gusci interconnessi. Ma per la prima volta, il team vede il potenziale per aumentare la nanoarchitettura.

"È entusiasmante vedere le nostre architetture su nanoscala ottimali progettate a livello computazionale realizzate sperimentalmente in laboratorio, " dice Dennis M. Kochmann, autore corrispondente del documento PNAS e professore di meccanica e materiali all'ETH di Zurigo e visiting associate in aerospace al Caltech. La sua squadra, tra cui l'ex studente laureato Caltech A. Vidyasagar e Sebastian Krödel e Tamara Weissenbach dell'ETH di Zurigo, ha previsto le proprietà versatili dei materiali nano-labirintici attraverso la teoria e le simulazioni.

Prossimo, il team prevede di espandere la sintonizzabilità e la versatilità del processo esplorando percorsi per controllare attentamente la microstruttura, ampliare le opzioni di materiale per i nano-gusci, e spingere per la produzione di maggiori volumi di materiale.

Il documento è intitolato "Estrema resilienza meccanica di materiali nano-labirintici autoassemblati".