Il laser cerca l'X-Factor dei materiali: la frontiera dei talenti

I materiali possono avere dei talenti? Ogni materiale ha precise caratteristiche, rilevanti per l'impiego pratico (si pensi ad esempio al colore, alla conducibilità termica, al peso specifico, alla durezza). Le performances di ciascun tipo di materiale dipendono da queste sue proprietà; e queste, a loro volta, sono strettamente legate alla composizione «interna» della materia sotto studio, alle molecole che la compongono e ai relativi legami chimici.

Livelli micro. Proprio quest’ultima, microscopica dimensione è oggi il fulcro delle ricerche in corso nel laboratorio multidisciplinare I-LAMP, presso l’Università Cattolica del Sacro Cuore: qui uno staff di ricercatori sta studiando una nuova tecnica di misurazione delle proprietà meccaniche dei materiali grazie alle nanotecnologie. Enrique A. Lopéz-Guerra, dottorando di origine guatemalese presso la statunitense George Washington University e allievo del prof. Santiago Solares, che collabora con I-LAMP dal suo avvio, è approdato a Brescia il mese scorso proprio per contribuire a questo progetto. Il suo apporto consiste nel costruire la base teorica per gli esperimenti che verranno messi in atto dall’équipe di ricerca. Questo l’obiettivo: creare dei nanosensori che consentano l’individuazione delle molecole che compongono un certo materiale, e pertanto le sue proprietà meccaniche. E il prefisso «nano» non è usato per caso: parliamo di una ricerca che avviene nell’ordine del nanometro, unità di misura corrispondente a un miliardesimo di metro (per intenderci: il diametro di un capello umano si aggira intorno ai 100mila nanometri).

La catalogazione. Lo studio considera materiali «viscoelastici», che cioè agiscono, quando sollecitati, in modo intermedio tra i solidi perfettamente elastici e i liquidi viscosi. Per fare qualche esempio, hanno caratteristiche spiccatamente viscoelastiche il legno e i metalli a elevate temperature; ancora, lo sono i tessuti umani. Per creare i nanosensori, invece, verranno utilizzate delle nanosfere d'oro, del diametro di 10 nanometri l’una. Una membrana di grandezza infinitesimale composta da queste sfere, può essere facilmente inserita in un corpo viscoelastico, e agevolarne l’analisi. Come? Stimolando le particelle d’oro, per la precisione attraverso degli impulsi laser. Alla stimolazione ogni sfera risponde riscaldandosi e, a causa delle caratteristiche viscoelastiche del materiale che le contiene, cominciando a vibrare. E la vibrazione è l’elemento essenziale: diversa è la frequenza, diverse sono le proprietà dei materiali. Così, raccogliendo e analizzando lo spettro delle vibrazioni ottenute da queste stimolazioni, sarà possibile individuare quali tipi di molecole sono presenti in prossimità delle nanosfere, dunque quali tipi di reazioni chimiche avvengono in quel corpo e quanta energia producono. «È come usare un nanomartello», spiega il professor Gabriele Ferrini, docente presso l’ateneo e tutor di Lopéz-Guerra durante il suo soggiorno a Brescia «che impattando sulla materia risponde in modo diverso a seconda delle caratteristiche del materiale: se finisce su un cuscino piuttosto che sul marmo, la risposta sarà diversa».

Il «suono». Insomma, il modo in cui «suona» la materia rivela le opportunità che questa ha da offrire. Naturalmente, per avere un’idea del significato da ricollegare a ciascun tipo di vibrazione è necessario studiare dei modelli: e proprio qui soccorre l’apporto tecnico del giovane dottorando ospite dell’università. I lavori sono in realtà ancora all’inizio, sebbene potrebbe apparire una pubblicazione a riguardo già verso la metà del prossimo anno; pertanto, è ancora difficile dare una reale definizione dell’apporto pratico di questa ricerca. L’intenzione dei ricercatori dell’I-LAMP è intrecciare la fisica dei materiali con la biologia, facendo di questi nanosensori un innovativo strumento di analisi biologica e prevenzione: un simile sistema d’indagine, di gran lunga più efficiente di un microscopio, potrebbe essere utile per analizzare liquidi e tessuti umani, che godono per l'appunto delle proprietà viscoelastiche. Ma non solo la medicina è in gioco, in questa ricerca: i campi in cui l’analisi microscopica potrebbe essere superata da quella «nanoscopica» sono i più disparati, tanti quanti sono gli utilizzi dei materiali di tipo viscoelastico nella pratica.