Materiali

Un team di ricerca del Cnr-Isc ha dimostrato, grazie a un modello numerico di materia composta da anelli elastici, come la risposta dinamica del sistema sia influenzata dall'abilità di deformarsi propria di questi colloidi soffici.

I colloidi sono particelle con taglia variabile da centinaia di nanometri a qualche micron e possono essere naturali o artificiali. L'avanzamento tecnologico degli ultimi 20 anni ha permesso di sintetizzare diverse varietà di queste particelle dalle molteplici proprietà, tra cui i cosiddetti colloidi 'soffici', fatti principalmente da materiale polimerico, ovvero catene flessibili che danno alle particelle la possibilità di deformarsi e di interpenetrarsi (pensate a delle reti estremamente morbide e intrecciate fra loro).

I collodi soffici presentano molteplici applicazioni ad esempio nella biomedicina, microfluidica e sensoristica ed è dunque importante comprendere come le proprietà di un singolo colloide influenzino il comportamento del materiale che essi formano.

In un recente studio numerico pubblicato su Nature Physics, (1) il team dell'Istituto dei sistemi complessi del Consiglio nazionale delle ricerche (Cnr-Isc), composto da Nicoletta Gnan e Emanuela Zaccarelli, ha mostrato che un modello numerico di particelle soffici con un'elasticità interna è in grado di riprodurre meccanismi osservati sperimentalmente, ma finora incompresi a livello microscopico.

“Ispirate dalla natura polimerica di questi colloidi, abbiamo deciso di lavorare in due dimensioni e di considerare dei semplici anelli polimerici elastici”, spiega Nicoletta Gnan. “Questi sono assimilabili a dei cerchietti la cui forma circolare viene mantenuta per via delle interazioni elastiche interne, che riescono quindi a mimare l'effetto di una rete polimerica. Più è forte l'interazione elastica, più gli anelli polimerici diventano duri, viceversa quanto meno forti sono le interazioni elastiche, quanto più soffici sono gli anelli. Questo permette loro di deformarsi e in questo modo di immagazzinare spontaneamente energia elastica (stress) che poi rilasciano quando riescono a tornare in forma circolare”.

Con la stampa 3D sono stati fatti progressi nel settore industriale, nella ricerca dai prototipi industriali, nei biomateriali degradabili utilizzati nella medicina rigenerativa. Quello che segue è il 4D: trasformare questi materiali affinché possano muoversi o mutare di fronte a stimoli esterni.

Humberto Palza Cordero,(1) ingegnere dei materiali presso l'Università del Cile,(2) asserisce che la recente capacità di creare o costruire oggetti, strato per strato, e da un modello di calcolo virtuale, noto anche come stampa 3D, ha tutte le potenzialità per rivoluzionare il nostro mondo in aspetti che vanno ben oltre la tecnologia. Questa tecnologia ha prodotto significativi cambiamenti nei modelli di business, nella logistica di produzione e nella catena di approvvigionamento, così che oggi è un pilastro fondamentale in quella che è stata definita la terza rivoluzione industriale. Ciò che accadrà in futuro, in termini geopolitici, economici, sociali, demografici e ambientali, sarà equivalente alle precedenti rivoluzioni riconducibili al motore a vapore o ai processi di industrializzazione del primo Novecento.

Sembra storia, ma solo un decennio fa l'unico modo per generare un prototipo di qualsiasi prodotto era quello di processarlo in macchine o attrezzature industriali tradizionali ad un costo molto alto. Oggi, con una semplice progettazione assistita da computer, è possibile stampare qualsiasi prototipo, accelerando le innovazioni e le iniziative in molteplici ambiti. La stampa 3D è già ampiamente utilizzata dall'industria tradizionale per la produzione di pezzi di ricambio e parti nuove per aerei, treni e automobili. La stampa 3D è l'applicazione più efficacie in sostituzione ai processi di produzione tradizionali.

Tuttavia, il grande impatto della stampa 3D verrà con l'introduzione di nuovi prodotti e tecnologie. Forse uno degli esempi più interessanti in questo contesto è l'uso della stampa 3D nella medicina rigenerativa. Un requisito fondamentale nell'uso delle cellule staminali per trattamenti avanzati di rigenerazione dei tessuti è la costruzione di un'impalcatura tridimensionale che fornisce supporto alle cellule. Questo si basa sul fatto che le nostre cellule si trovano naturalmente nei tessuti che formano strutture 3D.

Da una collaborazione tra il Cnr e il gruppo Procter and Gamble (P&G) nasce una tecnica innovativa per studiare il comportamento di una vasta categoria di materiali, dai tessuti biologici a prodotti di largo consumo come detergenti e alimenti

Prodotti di uso quotidiano come shampoo e dentifrici, alimenti come yogurt e maionese e ancora tessuti biologici, come quelli epiteliali, sono esempi di ‘materiali soffici’, con proprietà intermedie tra lo stato liquido e quello solido.

Una tecnica innovativa, messa a punto tra Napoli e Cincinnati (Ohio, USA) da una collaborazione tra ricercatori dell’Istituto superconduttori, materiali innovativi e dispositivi (Spin) del Cnr di Napoli, il gruppo Procter&Gamble, l’Università Federico II di Napoli e la University of Cincinnati aiuta a comprendere come si muovono e si organizzano nel tempo le particelle che compongono questi materiali: si tratta della Differential Variance Analysis (DVA), una tecnica che consente di misurare e visualizzare l’evoluzione della microstruttura nel tempo.

Il nuovo metodo è descritto in un articolo pubblicato su ‘Scientific Reports’, rivista del gruppo ‘Nature’.(1) “La natura ‘ibrida’ e le peculiarità dei materiali soffici, percepibili anche al tatto, derivano dai moti collettivi delle particelle che li costituiscono. Questo processo, noto col nome di rilassamento strutturale, può ora essere visualizzato e misurato in maniera semplice e diretta”, spiega Raffaele Pastore (Spin-Cnr).