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Materiali resistenti, leggeri ed elastici
I ricercatori hanno disperso minuscole piastrine di ossido di alluminio in un polimero per creare un materiale resistente, elastico e leggero. Il materiale potrebbe portare a impianti ossei e dentali più duraturi e parti di automobili e aeroplani più leggere e più efficienti dal punto di vista del consumo di carburante. Potrebbe anche essere usato per realizzare componenti elettronici pieghevoli e trasparenti.
Copiare la natura: Una sezione trasversale di madreperla, o madreperla, mostra piastrine di carbonato di calcio disposte in strati separati da un biopolimero (in alto). I ricercatori hanno imitato la struttura della madreperla disperdendo le piastrine di ossido di alluminio nel biopolimero chitosano (in basso), che produce un nanocomposito forte, elastico e leggero.
Nei loro sforzi per creare materiali resistenti ma leggeri, i chimici e gli scienziati dei materiali hanno cercato a lungo di imitare le nanostrutture presenti in natura. Conchiglie, ossa e smalto dei denti sono tutti costituiti da piastrine di ceramica rigida disposte in una matrice polimerica come mattoni in malta. Questi materiali ibridi combinano la resistenza della ceramica e l'elasticità dei polimeri.
Nel 2007, i ricercatori dell'Università del Michigan hanno progettato polimeri rinforzati con argilla che erano estremamente resistenti ma fragili: ci vuole molta energia per deformarli, ma quando si deformano si rompono bruscamente. I ricercatori del MIT sono riusciti a realizzare compositi argilla-polimero rigidi ma meno fragili, che tollereranno un certo allungamento prima di rompersi. (Vedi Materiali nanotecnologici ultra resistenti .)
Ludwig Gauckler , il professore di materiali presso l'Istituto Federale Svizzero di Tecnologia di Zurigo, in Svizzera, che ha guidato il nuovo lavoro, afferma che il composito del suo gruppo è ancora migliore. È cinque volte più resistente del materiale prodotto al MIT, dice, eppure è ancora elastico. Un film del composito è già forte come un foglio di alluminio, dice Gauckler, ma se allungato, può espandersi fino al 25 percento delle sue dimensioni; il foglio di alluminio si romperebbe al 2%.
Un ulteriore vantaggio del materiale ibrido è che è leggero, afferma lo scienziato dei materiali di Harvard Andre Studart, che è stato coinvolto nel lavoro. Il materiale è da metà a un quarto più pesante dell'acciaio della stessa resistenza, afferma Studart, e sarebbe un buon sostituto della fibra di vetro, che è comunemente usata nelle parti di automobili. Poiché la forza del materiale deriva dalle piastrine diffuse attraverso di esso, afferma Studart, sarà forte in due direzioni e non solo in una direzione, come nel caso del materiale rinforzato con fibre.
Inoltre, mentre il materiale è ora traslucido, la sua struttura potrebbe essere modificata per renderlo trasparente, rendendolo adatto al materiale dentale e ai circuiti elettronici trasparenti.
Per assemblare il loro materiale, i ricercatori disperdono le piastrine di ossido di alluminio in etanolo e distribuiscono la miscela sull'acqua. Le piastrine si dispongono in un unico strato sulla superficie dell'acqua. Quindi i ricercatori immergono una lastra di vetro nella soluzione, trasferendo le piastrine sul vetro. Infine, depositano uno strato di chitosano polimero biocompatibile sopra le piastrine. I ricercatori ripetono questo processo fino a quando lo spessore del composito finale è di poche decine di micrometri, quindi staccano il materiale dalla lastra di vetro con una lametta.
Nel progettare il materiale, i ricercatori hanno studiato attentamente la struttura meccanica della madreperla, lo strato lucido all'interno delle conchiglie, e hanno cercato di migliorarla. La madreperla ha piastrine fatte di carbonato di calcio disposte a strati all'interno di un polimero a base proteica. C'è qualcosa di molto speciale nella dimensione di queste piastrine, dice Studart. La madreperla utilizza una lunghezza e uno spessore delle piastrine specifici per ottenere l'elevata resistenza e [elasticità] che si vede nei metalli.
Il rapporto tra la lunghezza e lo spessore delle piastrine deve essere giusto, dice Studart. Se è troppo alto, le piastrine si rompono quando il materiale viene allungato. Se è troppo basso, il materiale non è molto rigido.
I ricercatori hanno scelto di lavorare con piastrine di ossido di alluminio, che sono cinque volte più forti delle piastrine di carbonato di calcio presenti nella madreperla. Hanno anche reso le loro piastrine più sottili, circa 200 nanometri di diametro, rispetto ai 500-1.000 nanometri delle piastrine naturali, per ridurre la probabilità di difetti nella loro struttura. Il miglior rapporto medio tra lunghezza e spessore, hanno calcolato i ricercatori, è 40, quindi hanno reso le piastrine lunghe da 5 a 10 micrometri. Piastrine più forti ci consentono di utilizzare un rapporto più elevato e quindi di ottenere una maggiore resistenza, rispetto ai gusci, con una minore concentrazione di piastrine, afferma Studart. Le basse concentrazioni sono importanti, dice, perché ciò significa che il composito ha più polimero e ha molta [elasticità].
Questo è quanto di più simile sia mai arrivato a duplicare la struttura meccanica e il comportamento di un materiale naturale, afferma Francois Barthelat , professore di ingegneria meccanica e ricercatore di materiali biomimetici presso la McGill University, a Montreal, Quebec. Ma prima che il materiale possa essere utilizzato, dice, i ricercatori dovranno sviluppare un modo più veloce per produrlo in quantità maggiori.
Professore di chimica alla Princeton University Ilhan Aksay ritiene che la tecnica dovrebbe essere facile da modificare in modo che sia adatta alla produzione in serie. Potresti creare forme grandi con questa tecnica, dice. Immagina che il materiale possa essere utile per l'osso e gli impianti dentali.
Gauckler afferma che il materiale ha bisogno di molti miglioramenti prima di poter essere utilizzato praticamente. Un polimero migliore renderebbe il composito più forte. I ricercatori devono anche trovare un modo per ottenere un legame migliore tra l'ossido di alluminio e il polimero. Per ora, dice Gauckler, abbiamo dimostrato che possiamo [avvicinarci a] fare un lavoro buono come la natura.