Gli esperti combinano le sostanze per creare materia strana, dura ed elastica

Gli schermi degli smartphone a prova di rottura potrebbero essere un'applicazione di un nuovo materiale ibrido che unisce molteplici proprietà incongrue in un'unica sostanza. Il materiale possiede contemporaneamente la durezza e la resistenza di una ceramica, l'elasticità deformabile della gomma e la rimodellabilità di una plastica. "Questa combinazione di proprietà in un unico materiale è così unica che i suoi potenziali usi sono limitati principalmente dalla nostra immaginazione", afferma LIU Zhaoming, professore presso il Dipartimento di chimica dell'Università di Zhejiang, a Hangzhou, in Cina. Liu ha co-diretto la ricerca. Tradizionalmente, i polimeri organici morbidi ed elastici creano materiali con proprietà elastiche e plastiche, mentre i materiali inorganici hanno maggiori probabilità di formare ceramiche dure. I precedenti tentativi di combinare composti organici e inorganici in materiali ibridi sono stati limitati dalla loro natura chimica contrastante, spiega Liu. I composti inorganici sono tipicamente tenuti insieme da legami ionici, raramente esistenti in forme molecolari pure. Tendono invece a formare cristalli solidi o a dissociarsi in una soluzione di ioni liberi in acqua. Pensa al cloruro di sodio o al sale da cucina. I composti organici, al contrario, sono tipicamente tenuti insieme da legami covalenti ed esistono facilmente in forme molecolari. Questa differenza rende difficile combinare composti organici e inorganici su scala molecolare. Nel 20191, Liu e i suoi colleghi dell’Università di Zhejiang, tra cui il professor TANG Ruikang, hanno trovato un potenziale modo per aggirare questo problema. "Abbiamo scoperto che potremmo utilizzare piccole molecole organiche come 'agenti di copertura' per stabilizzare il carbonato di calcio, un composto ionico inorganico, in forma molecolare", afferma. Nel loro ultimo lavoro, il team ha utilizzato questo approccio per creare un nuovo ibrido organico-inorganico molecola2, utilizzando una reazione acido-base per collegare gli oligomeri di carbonato di calcio a una molecola organica, l'acido tiottico. Quando queste molecole venivano lavorate sotto pressione a 120°C, le parti organiche e inorganiche della molecola reagivano con le molecole vicine, reticolandosi per formare un solido con regioni organiche e inorganiche altamente integrate. Le notevoli proprietà del materiale ibrido non erano immediatamente evidenti, Liu dice. "La prima volta che abbiamo realizzato questo materiale, abbiamo pensato che fosse proprio come la plastica dura", afferma. Le sorprese sono iniziate quando hanno premuto una punta acuminata nel materiale utilizzando una tecnica chiamata nano-indentazione utilizzata per studiare le proprietà meccaniche dei materiali solidi su scala nanometrica. "Il materiale ibrido era molto duro, proprio come la ceramica", dice Liu. "Ma quando abbiamo creato una rientranza e poi abbiamo ritirato la punta, il materiale si è respinto, recuperando la sua forma come la gomma." Durezza ed elasticità non erano le uniche proprietà paradossali del materiale ibrido. Il team ha scoperto che, ad alta temperatura e pressione, potrebbe essere rimodellato, il che significa che può essere riciclato per un nuovo utilizzo. "Abbiamo chiamato il materiale 'elastico-ceramica-plastica', perché combina tutte e tre le caratteristiche", spiega Liu. Quando si tratta di applicazioni nel mondo reale di questo materiale, Liu afferma che una possibilità è uno schermo per smartphone che sia duro e resistente, ma non fragile. "Con la sua combinazione di durezza e resistenza alla frattura, potrebbe essere utilizzato anche per impianti ossei o altri materiali medici", suggerisce. L'elastico-ceramica-plastica potrebbe essere solo il primo di un'intera nuova famiglia di materiali, aggiunge Liu. "L'innovazione fondamentale di questo lavoro è che abbiamo fuso la chimica organica e inorganica su scala molecolare", afferma. “Con questo metodo potremmo creare molte molecole ibride, magari combinando altre proprietà paradossali”.