Il piumaggio brillante degli uccelli è spesso una festa per gli occhi, ma è stato un grattacapo per gli scienziati che hanno lottato per ricreare in laboratorio le nanostrutture fotoniche che generano quei colori.
Parte della sfida è sviluppare strutture sulla scala scomoda di poche centinaia di nanometri:troppo grandi per la chimica molecolare, ma troppo piccole per la fabbricazione diretta.
Un team guidato da Eric Dufresne, professore con incarichi congiunti presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali della Cornell Engineering e il Dipartimento di Fisica del College of Arts and Sciences, ha sviluppato un metodo per ingegnerizzare in modo efficiente queste complesse nanostrutture attraverso una forma di separazione di fase:un processo simile al modo in cui l'acqua e l'olio si separano nel condimento per l'insalata.
I materiali risultanti potrebbero rivelarsi utili in una varietà di applicazioni, dalla produzione di pigmenti sostenibili allo stoccaggio e alla filtrazione dell'energia.
L'articolo del team, "La separazione elastica della microfase produce materiali bicontinui robusti", pubblicato su Nature Materials . L'autrice principale è Carla Fernández-Rico, ricercatrice post-dottorato presso l'ETH di Zurigo.
Per anni Dufresne ha trovato ispirazione nel mondo naturale. Studiando il funzionamento interno dei sistemi viventi come uccelli e insetti, cerca di scoprire nuovi meccanismi fisici che potrebbero influenzare la progettazione di materiali sintetici funzionali.
Per il loro ultimo progetto, il team di Dufresne ha deciso di creare un materiale "bicontinuo", che egli descrive come contenente due "folli reti compenetrate" - gomma e petrolio - che sono perfettamente intrecciate in una struttura definita con precisione, ma che non sacrificano mai la propria identità o caratteristiche.
"In una spugna, fluido e solido sono intrecciati", ha detto Dufresne. "Insieme, possono fare più della somma delle loro parti. Unire due materiali in modo simile su scala nanometrica può sbloccare nuove funzionalità, ma presenta ogni tipo di sfida."
In passato, gli scienziati dei materiali si concentravano su due approcci per realizzare nanostrutture bicontinue:autoassemblaggio e separazione di fase.
"O inizi con i mattoncini della dimensione che stai cercando e li assembli. Oppure prendi un mix di molecole che non si piacciono tra loro, come l'olio e l'acqua. Si separano semplicemente da sole, ma è difficile per controllare le dimensioni delle strutture che realizzano", ha detto Dufresne. "Volevamo avere tutto il controllo che si ottiene con il metodo di assemblaggio, ma mantenere la semplicità e il basso costo del metodo di separazione."
Nel loro nuovo articolo, il team di Dufresne introduce una strategia chiamata Elastic MicroPhase Separation (EMPS). L’esperimento iniziale era decisamente a bassa tecnologia. Hanno immerso un pezzo di gomma siliconica, cioè la "matrice elastica", in un bagno di olio fluorurato, essenzialmente teflon liquido, e lo hanno riscaldato in un forno a 60 gradi Celsius. Una volta che l'olio è stato assorbito dalla gomma, dopo alcuni giorni, i ricercatori lo hanno lasciato raffreddare a temperatura ambiente.
"A temperatura ambiente, il petrolio e la gomma non amano trovarsi nello stesso posto. E creano questa struttura incredibilmente intricata", ha detto Dufresne. "Ospitare il processo di separazione all'interno della gomma impedisce all'olio separato di formare un grosso grumo, come nel condimento per l'insalata."
La vera sfida era misurare e interpretare i risultati. Le nanostrutture erano appena visibili in un normale microscopio ottico, ma il materiale era troppo "molle" per un microscopio elettronico. Il team si è rivolto alla microscopia a fluorescenza 3D, che ha rivelato di aver creato con successo un materiale bicontinuo della dimensione desiderata.
Sebbene i ricercatori siano entusiasti delle possibilità del loro nuovo approccio, non sono ancora sicuri di come funzioni.
"Possiamo fornire una serie di ragioni per cui non avrebbe dovuto funzionare, ma ha funzionato", ha detto Dufresne. "Ecco perché non si tratta solo di un entusiasmante contributo ingegneristico, è anche un entusiasmante aspetto fisico, perché in realtà non sappiamo quale sia il meccanismo reale. Sappiamo che possiamo ottenere una gamma di diversi tipi di strutture, che possiamo mettere a punto modificando i diversi tipi di gomma siliconica. Quindi stiamo cercando di capire perché e quali sono i suoi limiti. Possiamo rendere le cose molto più piccole? Questa era davvero solo una prova di concetto per strutturare una gamma più ampia di materiali per applicazioni potenzialmente utili."
Ulteriori informazioni: Fernández-Rico, C. et al. La separazione microfase elastica produce materiali bicontinui robusti, Materiali naturali (2023). DOI:10.1038/s41563-023-01703-0. www.nature.com/articles/s41563-023-01703-0
Informazioni sul giornale: Materiali naturali
Fornito dalla Cornell University
