Dal bianco del coleottero, un nuovo materiale ultra brillante

Bianco che più bianco non si può. Si tratta del colore di un coleottero asiatico a cui si sono ispirati i ricercatori dell’Università di Firenze e dell’Accademia di Scienze di Pechino per realizzare un materiale artificiale, dal candore eccezionale. Le caratteristiche del nuovo materiale, spiegano i ricercatori nel loro studio appena pubblicato su Advanced Functional Materials, lo rendono adatto a numerose applicazioni, tra cui la produzione di vernici più ecologiche, nuovi tessuti termoregolanti, pannelli solari più efficienti e schermi ultrasottili e flessibili.

Il coleottero bianco

Per realizzarlo i ricercatori hanno preso spunto dalla particolare struttura che riveste l’insetto, un coleottero asiatico del genere Cyphochilus, e che gli conferirebbe un colore bianco brillante. Il suo corpo è infatti ricoperto da microscopiche scaglie di un bianco particolarmente intenso pur avendo uno spessore estremamente minore di quello, ad esempio, di un foglio di carta. Rispetto a quest’ultimo, però, le scaglie sono organizzate internamente con una fitta rete di filamenti sottilissimi, centinaia di volte più sottili di un capello, che riescono a diffondere la luce in modo molto efficiente.

Come ricreare il bianco

Dal 2014 ad oggi, molti gruppi di ricerca in tutto il mondo hanno provato a ricreare il bianco del coleottero imitandone la struttura, ma i risultati pubblicati finora hanno mostrato materiali ottenuti solo mediante tecniche molto complesse che, oltre a rendere più difficile la fabbricazione su larga scala, sono certamente diverse dai meccanismi che guidano la crescita della struttura dell’insetto.

Nel nuovo studio, invece, i ricercatori sono riusciti a raggiungere, e addirittura superare, l’esempio naturale del bianco, grazie a una procedura che avviene spontaneamente in condizioni ambientali. Come nel caso del rivestimento del coleottero, che è composto dalla chitina, anche per il nuovo materiale è stato scelto di usare un polimero, il polistirene, comunemente detto polistirolo. La struttura realizzata dai ricercatori è stata ottenuta a temperatura ambiente in un’atmosfera ricca di vapore acqueo tramite un processo chiamato “separazione di fase”, cioè la separazione che avviene spontaneamente in una miscela di polistirene dissolto e acqua.

“Per capire meglio”, spiegano Lorenzo Pattelli e Diederik Wiersma del team di ricerca, “può essere utile pensare all’esempio di un semplice miscuglio fra acqua e olio”. I due liquidi non sono amalgamabili fra loro, tanto che subito dopo averli mescolati, l’olio forma delle gocce isolate in sospensione nell’acqua, che poi si riuniscono insieme, separando di nuovo completamente l’acqua e l’olio (separazione di fase). “Tra lo stato iniziale della miscela e quello finale completamente separato esistono tutta una gamma di stati intermedi in cui le perline di olio cominciano a fondersi formando via via strutture sempre più estese”, spiegano i ricercatori.

Una fitta rete di tunnel

“Seguendo questo esempio, potremmo dire che la miscela tra acqua e polistirene si comporta come quella tra olio e acqua: uno dei risultati della ricerca è stato quello di riuscire a regolare le dosi dei due materiali e la velocità di evaporazione dell’acqua per far sì che il processo di separazione di fase si arresti ad uno stato intermedio, dove la separazione non è ancora avvenuta completamente e le due fasi formano una struttura particolarmente interessante dal punto di vista ottico”.

Una volta evaporata l’acqua, il risultato finale è una struttura di polistirene composta da una rete di microscopici filamenti e tunnel collegati fra loro: una struttura detta “bicontinua”, cioè in cui sia i tunnel che i filamenti attraversano tutto il materiale intrecciandosi, ma senza interruzioni. “Questo tipo di struttura è particolarmente interessante anche perché ad oggi, a livello industriale, il colore bianco viene tipicamente ottenuto con l’aggiunta di nanoparticelle che, se inalate, sono potenzialmente dannose per la salute”, spiegano i ricercatori. “Mentre nel nostro caso abbiamo una struttura unitaria non composta da parti separabili”.

Future applicazioni

Queste caratteristiche, spiegano i ricercatori, fanno ipotizzare per il polistirene super bianco una molteplicità di utilizzi: dalla produzione di vernici più ecologiche a tessuti termoregolanti, dalla realizzazione di pannelli solari più efficienti a quella di schermi ultrasottili e flessibili”.

Infine, i ricercatori hanno anche scoperto il suo potenziale carattere super-idrofilico. “Se immerso in acqua, ma basta anche il vapore acqueo contenuto in un respiro, il materiale diventa temporaneamente trasparente, suggerendo altre possibili applicazioni per sensori di umidità o per monitorare otticamente l’espirazione”.

Riferimenti: Advanced Functional Materials; Università di Firenze