Ispirati dalla seta di ragno estremamente forte, i ricercatori della Norwegian University of Science and Technology (NTNU) hanno sviluppato un nuovo materiale che sfida i compromessi precedentemente visti tra tenacità e rigidità.
Il materiale è un tipo di polimero noto come elastomero perché ha un'elasticità simile alla gomma. L'elastomero di nuova concezione presenta molecole che hanno otto legami idrogeno in un'unità di ripetizione, e sono questi legami che aiutano a distribuire uniformemente lo stress messo sul materiale e renderlo così resistente.
"Gli otto legami idrogeno sono l'origine delle straordinarie proprietà meccaniche", afferma Zhiliang Zhang, professore di meccanica e materiali presso il Dipartimento di Ingegneria Strutturale della NTNU. Il materiale è stato sviluppato presso NTNU NanoLab e parzialmente finanziato dal Consiglio di ricerca della Norvegia.
L'idea di introdurre un numero più alto del solito di legami idrogeno è venuta dalla natura. "La seta di ragno contiene lo stesso tipo di struttura", afferma Yizhi Zhuo, che ha sviluppato il nuovo materiale come parte del suo dottorato di ricerca e del lavoro post-dottorato. "Sapevamo che avrebbe potuto portare a proprietà molto speciali".
Gli scienziati hanno precedentemente notato che la seta di ragno, soprattutto la parte che fornisce i raggi e il bordo esterno della tela di un ragno, è sia eccezionalmente rigida che resistente. Rigidità e tenacità sono proprietà distinte nell'ingegneria e sono spesso in opposizione. I materiali rigidi possono sopportare molte sollecitazioni prima di deformarsi, mentre i materiali resistenti possono assorbire molta energia prima che si rompano. Il vetro, ad esempio, è rigido ma non resistente.
Il nuovo elastomero del team presenta domini rigidi e morbidi distinti. Dopo averlo ideato e realizzato, il team ha utilizzato un microscopio a forza atomica, con una risoluzione di frazioni di nanometro, per osservare la struttura sottostante del materiale e osservare l'interfaccia tra le regioni dure e morbide.
Hanno visto che, oltre agli otto legami idrogeno che distribuiscono lo stress, la mancata corrispondenza della rigidità tra i domini duro e morbido ha contribuito a dissipare ulteriormente l'energia incoraggiando eventuali crepe a diramarsi invece di continuare lungo un percorso rettilineo. "Se si dispone di uno zig-zag, si crea una grande superficie di frattura e si dissipa più energia, in modo da avere una maggiore tenacità", afferma Zhang.
Oltre alle sue proprietà meccaniche, il materiale è otticamente trasparente e la ricerca suggerisce che potrebbe anche auto-guarire a temperature superiori a 80 °C. Il nuovo materiale potrebbe un giorno essere utilizzato nell'elettronica flessibile, in particolare nei dispositivi indossabili che sono più soggetti a danni e rotture.