Una plastica che si ripara con la luce

Un raggio di luce basta per colmare una scalfittura Institut Adolphe Merkle

Uno schermo di telefonino graffiato o una carrozzeria scalfita che si riparano da soli se esposti alla luce? Grazie a dei ricercatori di Friburgo e di due laboratori americani, questa caratteristica non appartiene più solo al mondo della fantascienza.

«Polimeri metallici supramolecolari»: il termine non è ancora entrato nel linguaggio corrente, ma i materiali che designa potrebbero un giorno rivoluzionare la nostra vita quotidiana.

Il mese scorso, la rivista scientifica britannica Nature ha pubblicato i risultati delle ricerche condotte congiuntamente dall’Istituto Adolphe Merkle dell’Università di Friburgo, dalla Case Western University di Cleveland (Ohio) e dal centro di ricerche sui materiali dell’US Army di Aberdeen (Maryland). Assieme questi tre istituti sono riusciti a produrre una nuova specie di plastica, capace di autoripararsi in meno di un minuto quando è esposta alla luce ultravioletta.

Dai gingilli militari alla vernice per le unghie

«Per il momento si tratta ancora di ricerca fondamentale, spiega Christoph Weder, direttore dell’Istituto Adolphe Merkle. Non cerchiamo di elaborare dei prodotti da immettere sul mercato, ma piuttosto dei concetti, degli strumenti che possono servire a sviluppare materiali utili da un punto di vista commerciale. Ciò riflette bene il modo in cui opera il nostro istituto [che si occupa di nano scienza]».

E qual è l’interesse dell’esercito americano per questi nuovi materiali? «Non voglio fare nessuna speculazione sui motivi che lo inducono a sostenere questo progetto in particolare, ma la struttura che ha partecipato ai lavori si occupa veramente di ricerca fondamentale», risponde il professore svizzero, che ha lavorato a lungo negli Stati Uniti.

Comunque sia, questo nuovo materiale potrebbe avere numerose applicazioni pratiche, dagli schermi tattili a tutti gli oggetti di uso corrente fatti di plastica che si graffiano facilmente, passando dalle vernici per le unghie. Un’applicazione, quest’ultima, che però forse «non è la più interessante», ammette Christoph Weder.

Come funziona?

Le plastiche tradizionali sono fatte di polimeri, ossia delle molecole a forma di lunghe catene composte da diverse migliaia di atomi e attorcigliate come degli spaghetti. Quando la si scalda, la plastica fonde e può essere colata in uno stampo. Fonde e cola però lentamente, a causa del peso delle molecole e di come sono intrecciate tra di loro.

I polimeri metallici supramolecolari, invece, sono fatti di molecole circa 25 volte più corte, «incollate» assieme da atomi di metallo. Quando si scalda la materia, queste molecole si separano e essendo leggere, la massa cola molto più facilmente. Quando il calore cessa, le molecole si «rincollano» tramite le estremità metalliche e la materia ritrova le sue proprietà originarie.

Per raggiungere lo scopo, non c’è bisogno di mettere il cellulare o l’orologio nel forno. Una dose di ultravioletti basta. «Abbiamo utilizzato lampade molto simili a quelle usate dai dentisti per indurire gli amalgami a base di polimeri», spiega Christoph Weder.

La quantità di luce necessaria è quindi superiore a quella del sole. Ed è meglio così. In questo modo, le plastiche rimangono stabili all’esterno e non rischiano di fondere in caso di esposizione al sole durante una bella giornata estiva.

Fino a dove?

Quando passano allo stato liquido e ricoprono i graffi, i polimeri metallici supramolecolari raggiungono temperature di circa 200°C. Anche se il processo dura meno di un minuto e il calore rimane molto localizzato, chi manipola l’oggetto rischia facilmente di ustionarsi.

Per evitare questo pericolo, i ricercatori lavorano su diversi tipi di metalli da utilizzare come «colla» tra le molecole. Questi metalli, che convertono la luce in calore, non hanno bisogno di raggiungere le stesse temperature per rompere i «lacci» che tengono unite le molecole.

Bisognerà ora vedere fino a che spessore uno strato di queste nuove plastiche può mantenere le sue proprietà autoriparanti. Per il momento i test sono stati effettuati su fogli molto sottili. «Utilizzando la luce, uno dei limiti è la profondità alla quale può penetrare nella materia. E naturalmente non può penetrare per più centimetri», osserva Christoph Weder.

I ricercatori sanno però che il calore prodotto dai raggi ultravioletti si diffonde più in profondità rispetto a dove arriva la luce. Ma fino a dove? La questione è ancora aperta.

Un po’ di chimica

I polimeri sono grosse molecole, organiche o minerali, risultato della combinazione (polimerizzazione) di diverse molecole più piccole (monomeri), identiche o differenti. I monomeri sono uniti tramite dei legami covalenti, ossia quando due atomi che si trovano all’estremità della molecola condividono un’elettrone.

In sostanza i polimeri sono come un treno senza locomotiva, composto da vagoni identici o differenti. Il sistema di aggancio dei vagoni è il legame covalente.

Le plastiche sono materiali che non esistono allo stato naturale. Senza di esse, però, esisterebbe ben pochi oggetti che utilizziamo nel corso della vita quotidiana. Le plastiche sono fabbricate a partire da polimeri, la maggior parte delle volte estratti dal petrolio. Tutte le plastiche sono dei polimeri, ma non tutti i polimeri sono delle plastiche.

Traduzione di Daniele Mariani