Incorporando fogli a base di titanio nell’acqua, un gruppo guidato dai ricercatori del RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) in Giappone ha creato un materiale inorganico che può essere convertito da gel duro a materia morbida modificando la temperatura.

Imitare l’organico con l’inorganico

Le forme di vita inorganiche compaiono spesso nelle storie di fantascienza. Ma in realtà i sistemi che rispondono a stimoli come i cambiamenti di temperatura sono quasi sempre basati su materiali organici. La ricerca nel campo dei “materiali adattivi” si è quindi concentrata quasi esclusivamente sulle sostanze organiche. Esistono, tuttavia, potenziali vantaggi nell’utilizzo di materiali inorganici come i metalli, comprese migliori proprietà meccaniche.

Il gruppo guidato da RIKEN ha provato a ricreare il comportamento mostrato dagli idrogel organici, ma utilizzando materiali inorganici. La loro ispirazione proveniva dai cetrioli di mare. Questi affascinanti animali sono imparentati con le stelle marine e hanno la capacità di trasformare la loro pelle da uno strato duro a una sorta di gelatina, consentendo loro di espellere i loro organi interni – che poi possono ricrescere – per sfuggire ai predatori. Le sostanze chimiche rilasciate dal sistema nervoso del cetrioli di mare innescano un cambiamento nella configurazione di un’impalcatura proteica, trasformando la pelle da dura a morbida.

Per replicare questa capacità inorganicamente, i ricercatori hanno sperimentato la disposizione di nanofogli – in questo caso, sottili fogli di ossido di titanio – in acqua, in modo tale che i nanofogli costituissero il 14% del materiale risultante in peso e l’acqua costituisse il restante 86%.

“La chiave per stabilire se un materiale è un idrogel morbido o un gel più duro si basa sull’equilibrio tra forze attrattive e repulsive tra i nanofogli. Se dominano le forze repulsive, è più morbido, ma se quelle attraenti sono forti, i fogli si bloccano in una rete tridimensionale e può riorganizzarsi in un gel più duro. Usando la repulsione elettrostatica finemente sintonizzata, abbiamo cercato di fare un gel le cui proprietà cambierebbero a seconda della temperatura”

ha spiegato Koki Sano di RIKEN CEMS e primo autore di un articolo su questo lavoro in Nature Communications.

Le stesse performance dei cetrioli di mare

Alla fine il gruppo è riuscito a farlo, scoprendo che il materiale è passato da uno stato dominato dalla repulsione più morbido a uno stato dominato dall’attrazione più duro a una temperatura di circa 55 ° C. Hanno anche scoperto che il materiale poteva essere scambiato ripetutamente tra i due stati senza un deterioramento significativo.

“Ciò che è stato affascinante è che questo processo di transizione viene completato in soli due secondi, anche se richiede un grande riarrangiamento strutturale. Questa transizione è accompagnata da un cambiamento di 23 volte nell’elasticità meccanica del gel, che ricorda i cetrioli di mare. “

aggiunge Sano,

Per rendere il materiale ancora più utile, i ricercatori lo hanno drogato con nanoparticelle d’oro che potrebbero convertire la luce in calore. Ciò ha permesso loro di cambiare la struttura del materiale semplicemente puntando la luce laser su di esso per riscaldarlo.

“Questo è un lavoro davvero entusiasmante in quanto apre notevolmente la portata della sostanza che può essere utilizzata nei materiali adattivi di prossima generazione. Inoltre può persino permetterci di creare una forma di ‘vita inorganica’ “.

ha affermato Yasuhiro Ishida di RIKEN CEMS, uno dei gli autori corrispondenti dell’articolo.

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