Scienza dei materiali
È la scena raccapricciante da ‘3-Body Problem’ vicina alla realtà?
La ricerca umana dell’ottimale è insaziabile e senza fine. I material scientists sono sempre alla ricerca del più sottile, del più forte o del più leggero. In tale ricerca, un team di ricercatori del Laboratory for Theory and Simulation of Materials presso l’EPFL di Losanna, parte del NCCR MARVEL, hanno utilizzato metodi computazionali per accertare quale potrebbe essere il filo metallico più sottile possibile.
Prima di addentrarci nel loro studio e nelle sue specifiche, diamo uno sguardo alla visione teorica che ha guidato la ricerca.
<strong-La ricerca per raggiungere il limite ultimo nella riduzione delle dimensioni
La ricerca si è concentrata su materiali unidimensionali. È iniziata con il presupposto che questi materiali potessero possedere proprietà elettroniche uniche, citando esempi come nanotubi di carbonio, nanofili sottili e catene atomiche di pochi atomi.
A causa della loro potenziale idoneità per applicazioni di prossima generazione, i ricercatori sono diventati sempre più curiosi e desiderosi di esplorare ulteriori fonti per la produzione di questi materiali.
I ricercatori hanno identificato che l’esfoliazione di materiali bulk potrebbe servire come fonte naturale per fili unidimensionali. Di conseguenza, hanno consultato un database di materiali unidimensionali che potrebbero essere esfoliati da composti van der Waals tridimensionali noti sperimentalmente. Questa esplorazione ha infine portato alla scoperta di più fili stabili.
Tuttavia, la scoperta più significativa è stata quella di localizzare il filo metallico più sottile possibile, CuC2. Questo ritrovamento rappresenta un importante traguardo nella ricerca scientifica per raggiungere il limite ultimo della riduzione delle dimensioni.
Parlando della scoperta, Chiara Cignarella ha detto:
“È veramente interessante perché non ti aspetteresti che un vero e proprio filo di atomi lungo una sola linea sia stabile nella fase metallica.”
È stato necessario un notevole quantitativo di sperimentazione per raggiungere il filo metallico CuC2, una catena lineare composta da due atomi di carbonio e uno di rame – il filo metallico nanometrico più sottile possibile stabile a 0 K.
Il punto di partenza è stata una raccolta di oltre 780.000 cristalli – selezionati da una serie di database – tenuti insieme da forze di van der Waals. Queste forze esistono come interazioni deboli tra atomi i cui elettroni sono abbastanza vicini da sovrapporsi. I ricercatori hanno poi esaminato più da vicino questi materiali per scoprire la loro organizzazione spaziale e valutare l’energia necessaria per separare la struttura unidimensionale dal resto del cristallo.
Questo filtro ha portato a un elenco di 800 materiali unidimensionali, che è stato poi ridotto a 14. I ricercatori hanno infine preso questo campione di 14 e lo hanno calcolato in maggior dettaglio per verificare la loro stabilità e valutare il loro comportamento elettronico.
I risultati finali hanno indicato due metalli e due semimetalli come i più interessanti. Uno di questi quattro era il filo metallico CuC2, una catena lineare con due atomi di carbonio e uno di rame. Potrebbe essere chiamato il filo nanometrico più sottile possibile, stabile a 0K, ed esfoliato da tre diversi cristalli genitori:
- NaCuC2
- KCuC2
- RbCuC2
La specialità di CuC2 era che richiedeva poca energia per l’estrazione e, come catena, poteva essere piegata senza alterare le sue proprietà metalliche.
I ricercatori pianificano di continuare a lavorare sulla loro scoperta. Questo processo non includerà solo la sintesi di nuovi materiali, ma anche l’indagine sulla capacità di questi materiali di trasportare cariche elettriche e valutare il loro comportamento a diverse temperature.
Mentre questa particolare ricerca ha portato a una svolta, il lavoro scientifico sui nanofili non è affatto nuovo e sta avvenendo da molto tempo. L’interesse per questi fili metallici è stato così intenso che hanno trovato menzioni anche nella cultura popolare.
Una delle menzioni più note di nanofili è stata nella serie di fantascienza del 2024 ‘3 Body Problem’, basata su ‘Ricordo del passato della Terra’ di Liu Cixin. L’uso di nanofili nella serie e gli sviluppi intorno ad esso nel campo della ricerca scientifica reale ci fanno pensare che sia un mondo di fantascienza più vicino alla realtà di quanto pensiamo.
Nanofili in ‘3 Body Problem’
‘3 Body Problem’ utilizza i concetti di nanotecnologia come parte integrante della sua storia. Uno dei personaggi della serie, il dottor Auggie Salazar, interpretato da Eiza Gonzalez, è un esperto in questo campo che ha rivoluzionato questo dominio di studio.
L’uso di nanofili, tuttavia, è molto più di un elemento per caratterizzare Auggie nella serie. È uno strumento cruciale per impostare il più grande e terrificante set piece della serie. La tecnologia dei nanofili viene utilizzata qui come un’arma per preservare la tecnologia a bordo di una nave nemica, il Giorno del Giudizio.
La nave è stata noleggiata dal ricco e simpatizzante alieno Mike Evans, un personaggio interpretato da Jonathan Pryce. I nanofili – in questa nave – vengono utilizzati come una rete affilata che finisce per uccidere tutti a bordo nel modo più brutale e violento possibile, mantenendo al contempo la tecnologia aliena Trisolan recuperabile per gli esseri umani.
La scena ha scatenato molte speculazioni sulla sua fattibilità e se fosse possibile per i nanofili tagliare realmente barche, diamanti, esseri umani e altro.
Ma ciò che appare più importante ora è la domanda di quanto la nostra realtà tecnologica sia vicina alla fantascienza. Almeno nel caso dei nanofili, è più vicina di quanto pensiamo. I nanofili hanno molte applicazioni nel mondo reale e ne esploreremo alcune nelle prossime sezioni.
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Nanofili e le loro applicazioni nel mondo reale
Una revisione completa delle potenzialità di applicazione pratica dei nanofili mostra che potrebbero essere utilizzati per la consegna di farmaci, la filtrazione dell’acqua, le applicazioni biomediche, l’immagazzinamento di energia, gli indumenti protettivi e altro.
Nel settore sanitario, le medicazioni a base di nanofili hanno dimostrato di essere estremamente utili creando un ambiente favorevole alla rigenerazione dei tessuti. Allo stesso modo, nella consegna di farmaci, i nanofili rilasciano efficacemente i farmaci a un ritmo controllato, migliorando la compliance del paziente e minimizzando gli effetti collaterali. Inoltre, nella scienza medica, i nanofili supportano l’ingegneria dei tessuti e la medicina rigenerativa, dove le scaffalature a base di nanofili possono essere sviluppate per mimare la matrice extracellulare, promuovendo la crescita di tessuti e organi funzionali.
Poi, nel settore della bonifica ambientale, i nanofili aiutano a purificare l’acqua e l’aria. Le membrane a base di nanofili possono rimuovere gli inquinanti. Inoltre, i nanofili aiutano a produrre componenti elettronici flessibili e allungabili come sensori e tessuti conduttivi, contribuendo alla tecnologia indossabile e alle interfacce uomo-macchina.
Nel settore della tecnologia avanzata, i nanofili hanno la capacità di offrire strutture di immagazzinamento di energia per batterie e supercondensatori avanzati. La loro grande area di superficie e porosità li rendono adatti a tali applicazioni. I nanofili si dimostrano anche efficaci per applicazioni tecnologiche all’avanguardia adatte all’uso nell’esplorazione spaziale, soddisfacendo i criteri di proprietà qualificanti – leggeri ma robusti, durevoli ma sicuri.
Tutte queste potenzialità di applicazione rendono i nanofili un materiale potente per le aziende tecnologiche da lavorare. Molte aziende hanno lavorato nel campo dei nanofili e dello sviluppo correlato. Di seguito, ne discutiamo un paio.
#1. Kato Tech
Kato Tech si distingue per l’efficienza che ha introdotto nel sistema di produzione di nanofili. Il dispositivo di elettrofilatura di nanofili della società utilizza tecniche di elettrofilatura per produrre in modo sicuro e facile nanofili con diametri di 50-800 nm. Il dispositivo Kato Tech è in grado di produrre nanofili anche da una piccola quantità di polimeri diversi.
Parlando dell’importanza del dispositivo Kato Tech per l’industria dei nanofili, Yoshihiro Yamashita, professore al Research Center for Fibers and Materials dell’Università di Fukui, ha detto:
“Kato Tech Co., Ltd. in Giappone ha intrapreso lo sviluppo di un dispositivo di elettrofilatura per uso di laboratorio e ha creato un sistema che includeva un generatore di tensione e una bocchetta, un movimento di rotolamento, una pompa di siringa quantitativa e una funzione di progetto. Questo dispositivo ha largamente incluso le idee del dottor Frank Ko dell’Università Drexel, un’autorità leader nell’elettrofilatura, e ha reso possibile creare nanofili facilmente utilizzando l’elettrofilatura.”
Il dispositivo ha un elettrodo positivo appuntito (capillare) e un elettrodo negativo piatto (a terra). Quando si applica un’alta tensione tra i due elettrodi, attrae il polimero fuso o la soluzione di polimero carica dal capillare attraverso il campo elettrico verso l’elettrodo negativo. Di conseguenza, i polimeri a bassa coesione molecolare diventano uno spray e quelli ad alta coesione molecolare si separano ulteriormente in fibre, vengono attratti dall’elettrodo negativo e formano uno strato sottile di fibre.
Secondo i suoi ultimi rapporti finanziari disponibili, Kato Tech ha guadagnato 29.568 milioni di yen nei primi sei mesi terminati il 30 settembre 2022, registrando una crescita annua del 13%.
#2. American Elements
Un’altra azienda che ha lavorato in modo approfondito sulla nanotecnologia è American Elements. I suoi prodotti coprono i domini di nanoparticelle e nanopolveri, dispersioni di nanoparticelle, materiali nanofunzionalizzati, materiali nanotecnologici a base di carbonio e inchiostri, prismi, aste, sfere, tubi e molto altro.
Se guardiamo solo alle capacità di nanofili dell’azienda, vedremo che ha nanofili realizzati con alluminio, oro, silicio, iridio, cobalto, ferro, argento, rame, piombo, manganese, nichel e molti altri.
Se parliamo di nanofili in particolare, l’azienda offre nanofili di carbonio e di nitruro di silicio. I suoi nanofili di carbonio sono strutture nanotubolari a superficie alta con applicazioni in energia alternativa, elettronica e medicina, mentre i nanofili di nitruro di silicio si dimostrano efficaci in soluzioni alimentari, agricole, farmaceutiche e ottiche.
American Elements afferma di essere il più grande produttore al mondo di materiali avanzati e ingegnerizzati. Fornisce sia orientamento tecnico che prodotti manifatturati in un catalogo online di oltre 12.000 pagine che include oltre 3.000 articoli di metallo elementare, chimico, ceramico, e cristallino.
Il futuro alimentato dai nanofili
Gli sviluppi legati ai nanofili diventeranno presto visibili in tutto il mondo. Un paese che ha fatto progressi eccezionali in questo campo è il Giappone. Secondo i dati forniti da MECC Nanofiber, il numero di articoli relativi ai nanofili superiore a 40.000 in Giappone al 27 marzo 2024.
I nanofili hanno già dimostrato la loro fattibilità commerciale abilitando prodotti ad alte prestazioni come filtri e maschere facciali. Questi prodotti traggono vantaggio dall’alta efficienza di raccolta di polvere e dalla bassa perdita di pressione dei nanofili.
I nanofili offrono vantaggi significativi nei settori biomedico, med-tech e sanitario grazie alle loro proprietà versatili che li rendono utili a scopo medico. Ad esempio, sono materiali eccellenti per la costruzione di scaffalature per la proliferazione cellulare poiché aderiscono facilmente alle cellule. Vanno oltre l’essere semplicemente biodegradabili; sono bioassorbibili, decomponendosi in modo sicuro nel corpo nel tempo. A causa della loro porosità e della grande area di superficie, con piccole lacune che consentono ai liquidi di penetrare, i nanofili esibiscono un’eccellente capacità di ritenzione di umidità, forza fisica e dinamica, e elasticità regolabile.
Abbiamo già discusso i molti benefici delle applicazioni mediche dei nanofili. In futuro, i nanofili vedranno un aumento dell’adozione come assorbenti transdermici, pelle artificiale a rilascio di farmaci, vasi sanguigni artificiali, cornee e pelle, e addirittura come agenti di riempimento per ossa artificiali.
Inoltre, ogni giorno ci avvicina di più agli scenari inquietanti rappresentati in ‘3-Body Problem’, sottolineando l’importanza crescente della ricerca e dello sviluppo nella nanotecnologia e nei nanofili. Questa ricerca è cruciale poiché aiuta la sanità rigenerativa ad avanzare in scenari sempre più complessi, servendo solo come un esempio delle sue molte potenziali applicazioni.
Clicca qui per un elenco di cinque aziende leader nello sviluppo della nanotecnologia.
