I materiali resistenti e leggeri potrebbero migliorare qualsiasi cosa, dalle automobili ai giubbotti antiproiettile. Ma di solito le due qualità si escludono a vicenda. Ora, ricercatori e colleghi dell'Università del Connecticut hanno sviluppato un materiale straordinariamente resistente e leggero utilizzando due improbabili elementi costitutivi:DNA e vetro.
"A parità di densità, il nostro materiale è il più resistente conosciuto", afferma Seok-Woo Lee, scienziato dei materiali presso la UConn. Lee e colleghi della UConn, della Columbia University e del Brookhaven National Lab hanno riportato i dettagli il 19 luglio in Cell Reports Physical Science .
La forza è relativa. Il ferro, ad esempio, può sopportare sette tonnellate di pressione per centimetro quadrato. Ma è anche molto denso e pesante, pesa 7,8 grammi per centimetro cubo. Altri metalli, come il titanio, sono più resistenti e leggeri del ferro. E alcune leghe che combinano più elementi sono ancora più resistenti. Materiali robusti e leggeri hanno consentito la realizzazione di armature leggere, dispositivi medici migliori e la realizzazione di automobili e aeroplani più sicuri e veloci.
Il modo più semplice per estendere l’autonomia di un veicolo elettrico, ad esempio, non è aumentare la batteria ma piuttosto rendere il veicolo stesso più leggero senza sacrificare la sicurezza e la durata. Ma negli ultimi anni le tecniche metallurgiche tradizionali hanno raggiunto un limite e gli scienziati dei materiali hanno dovuto diventare ancora più creativi per sviluppare nuovi materiali leggeri e ad alta resistenza.
Ora, Lee e colleghi riferiscono che costruendo una struttura di DNA e poi rivestendola con vetro, hanno creato un materiale molto resistente con una densità molto bassa. Il vetro potrebbe sembrare una scelta sorprendente, poiché si frantuma facilmente. Tuttavia, il vetro solitamente si frantuma a causa di un difetto nella sua struttura, come una crepa, un graffio o la mancanza di atomi. Un perfetto centimetro cubo di vetro può resistere a 10 tonnellate di pressione, più di tre volte la pressione che ha fatto iplodere il sommergibile Oceangate Titan vicino al Titanic il mese scorso.
È molto difficile creare un grande pezzo di vetro senza difetti. Ma i ricercatori sapevano come realizzare pezzi molto piccoli e impeccabili. Finché il vetro ha uno spessore inferiore a un micrometro, è quasi sempre impeccabile. E poiché la densità del vetro è molto inferiore a quella dei metalli e della ceramica, qualsiasi struttura realizzata in impeccabile vetro nanometrico dovrebbe essere resistente e leggera.
Il team ha creato una struttura di DNA autoassemblante. Quasi come i Magnatiles, pezzi di DNA di lunghezze e caratteristiche chimiche specifiche si sono uniti insieme formando uno scheletro del materiale. Immagina la struttura di una casa o di un edificio, ma fatta di DNA.
Oleg Gang e Aaron Mickelson, scienziati dei nanomateriali presso la Columbia University e il Center for Functional Nanomaterials di Brookhaven, hanno poi rivestito il DNA con uno strato molto sottile di materiale simile al vetro, spesso solo poche centinaia di atomi. Il vetro ricopriva appena i filamenti di DNA, lasciando gran parte del volume materiale come spazio vuoto, proprio come le stanze all'interno di una casa o di un edificio.
Lo scheletro del DNA ha rinforzato il sottile e impeccabile rivestimento del vetro rendendo il materiale molto resistente, mentre i vuoti che costituiscono la maggior parte del volume del materiale lo hanno reso leggero. Di conseguenza, le strutture di nanoreticoli di vetro hanno una resistenza quattro volte superiore ma una densità cinque volte inferiore rispetto all’acciaio. Questa insolita combinazione di leggerezza ed elevata resistenza non è mai stata raggiunta prima.
"La capacità di creare nanomateriali con strutture 3D progettate utilizzando il DNA e di mineralizzarli apre enormi opportunità per l'ingegneria delle proprietà meccaniche. Ma è ancora necessario molto lavoro di ricerca prima di poterlo impiegare come tecnologia", afferma Gang.
Il team sta attualmente lavorando con la stessa struttura del DNA, ma sostituendo il vetro con ceramiche di carburo ancora più resistenti. Hanno in programma di sperimentare diverse strutture di DNA per vedere quale rende il materiale più resistente.
I futuri materiali basati su questo stesso concetto sono molto promettenti come materiali a risparmio energetico per veicoli e altri dispositivi che privilegiano la resistenza. Lee ritiene che la nanoarchitettura degli origami di DNA aprirà una nuova strada per creare materiali più leggeri e resistenti che non avremmo mai immaginato prima.
"Sono un grande fan dei film di Iron Man e mi sono sempre chiesto come creare un'armatura migliore per Iron Man. Deve essere molto leggera per poter volare più velocemente. Deve essere molto resistente per proteggerlo dagli attacchi dei nemici. Il nostro nuovo materiale è cinque volte più leggero ma quattro volte più resistente dell'acciaio, quindi i nostri nanoreticoli di vetro sarebbero molto migliori di qualsiasi altro materiale strutturale per creare un'armatura migliorata per Iron Man."
Ulteriori informazioni: Aaron Michelson et al, Silice nanoarchitettonica leggera e ad alta resistenza, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101475
Informazioni sul giornale: Cell Reports Scienze fisiche
Fornito dall'Università del Connecticut
