Gli ingegneri del MIT creano un materiale innovativo più resistente dell’acciaio e leggero come la plastica.

Polimerizzare un materiale in due dimensioni, impossibile? per il MIT no! La nuova sostanza è il risultato di un’impresa davvero grandiosa da parte di questi ingegneri senza pari.

Usando un nuovo processo di polimerizzazione, gli ingegneri chimici del MIT hanno creato un nuovo materiale che è più forte dell’acciaio e leggero come la plastica, e può essere facilmente prodotto in grandi quantità.

A differenza di tutti gli altri polimeri, che formano catene monodimensionali simili a spaghetti, il nuovo materiale è un polimero bidimensionale che si auto-assembla in fogli. Fino ad ora, gli scienziati avevano creduto che fosse impossibile indurre i polimeri a formare fogli 2D.

Questo tipo di prodotto potrebbe essere usato come un rivestimento leggero e durevole per parti di automobili o telefoni cellulari, o come materiale da costruzione per ponti o altre strutture, dice Michael Strano, il Carbon P. Dubbs Professor di ingegneria chimica al MIT e autore senior del nuovo studio.

“Di solito non pensiamo alla plastica come a qualcosa che si potrebbe usare per sostenere un edificio, ma con questo materiale, si possono fare nuovi esperimenti“, dice. “Ha proprietà molto insolite e siamo molto entusiasti di questo”.

I ricercatori hanno depositato due brevetti sul processo che hanno usato per generare il materiale, che descrivono in un documento pubblicato su Nature il 2 febbraio 2022. Il postdoc del MIT Yuwen Zeng è l’autore principale dello studio.

Gli ingegneri del MIT e le due dimensioni

Tutti i polimeri, che includono tutte le materie plastiche, sono costituiti da catene di blocchi di costruzione chiamati monomeri. Queste catene crescono aggiungendo nuove molecole alle loro estremità. Una volta formati, i polimeri possono essere modellati in oggetti tridimensionali, come le bottiglie d’acqua, usando lo stampaggio a iniezione.

Per molto tempo gli scienziati che si occupano di polimeri hanno ipotizzato che se i polimeri potessero essere indotti a crescere in un foglio bidimensionale, dovrebbero formare materiali estremamente forti e leggeri.

Ciononostante, parecchi decenni di lavoro in questo settore portano alla conclusione che è impossibile creare tali fogli. Uno dei motivi è che se un solo monomero ruota verso l’alto o verso il basso, fuori dal piano del foglio in crescita, il materiale inizierà ad espandersi in tre dimensioni e la struttura simile al foglio verrà persa.

Tuttavia, grazie al nuovo progetto, Strano e colleghi hanno sviluppato un nuovo processo di polimerizzazione che permette loro di generare un foglio bidimensionale chiamato poliacrilammide.* Per i mattoni monomerici, usano un composto chiamato melamina, che contiene un anello di atomi di carbonio e azoto.

Creare un piano molecolare simile a un foglio

Nelle giuste condizioni, questi monomeri possono crescere in due dimensioni, formando dischi. Questi dischi si impilano uno sull’altro, tenuti insieme da legami idrogeno tra gli strati, che rendono la struttura molto stabile e forte.

” Anziché realizzare una molecola simile a spaghetti, possiamo creare un piano molecolare simile a un foglio, in cui le molecole si agganciano tra loro in due dimensioni”; sottolinea Strano. “Questo meccanismo avviene spontaneamente in soluzione, e dopo aver sintetizzato il materiale, possiamo tranquillamente rivestire film sottili che sono straordinariamente resistenti”.

Il materiale si auto-assembla nella soluzione e può essere prodotto in grandi quantità semplicemente incrementando il quantitativo di materiale iniziale. I ricercatori hanno dimostrato di poter rivestire le superfici con film del materiale, che chiamano 2DPA-1.

“Grazie a questo progresso, disponiamo di molecole planari su cui sarà molto più facile realizzare un materiale molto forte, ma estremamente sottile”; sostiene Strano.

Leggero ma forte

I ricercatori trovano che il modulo elastico del nuovo materiale – una misura di quanta forza ci vuole per deformare un materiale – è tra quattro e sei volte maggiore di quello del vetro antiproiettile. Inoltre hanno scoperto che la sua resistenza allo snervamento, o quanta forza ci vuole per rompere il materiale, è il doppio di quella dell’acciaio, anche se il materiale ha solo circa un sesto della densità dell’acciaio.

Matthew Tirrell, decano della Pritzker School of Molecular Engineering all’Università di Chicago, riferisce che la nuova tecnica “incarna una chimica molto creativa per realizzare questi polimeri 2D legati”.

” Un importante aspetto di questi nuovi polimeri è che sono facilmente lavorabili in soluzione, il che faciliterà numerose nuove applicazioni dove l’alto rapporto forza-peso è importante, come nuovi materiali compositi o barriere di diffusione”. Commenta Tirrell, che non è stato coinvolto nello studio.

Gli ingegneri del MIT creano nuovo materiale 2D, conclusioni

Ma un’altra caratteristica chiave del 2DPA-1 è la sua impermeabilità ai gas. Mentre altri polimeri sono fatti da catene arrotolate con lacune che permettono ai gas di filtrare, il nuovo materiale è fatto da monomeri che si bloccano insieme come i LEGO, e le molecole non possono arrivare tra loro.

“In questo modo potremmo creare dei rivestimenti ultrasottili che possono impedire completamente all’acqua o ai gas di passare”. Conclude Strano. “Questo tipo di rivestimento barriera potrebbe essere usato per proteggere il metallo nelle auto e altri veicoli, o le strutture in acciaio”.

Al momento Strano e gli altri studenti stanno esaminando più in dettaglio come questo particolare polimero sia in grado di formare fogli 2D, e stanno sperimentando di cambiare la sua composizione molecolare per creare altri tipi di materiali innovativi.

• *Il poliacrilammide è un polimero con la formula. Ha una struttura a catena lineare. PAM è altamente idroassorbente, formando un gel morbido quando idratato. Nel 2008 sono stati prodotti circa 750.000.000 di kg, principalmente per il trattamento delle acque e per l’industria della carta e dei minerali.

Immagine. Credito: film polimerico per gentile concessione dei ricercatori.

Per isolare termicamente un terrazzo, l’impiego della poliurea è una soluzione efficace e all’avanguardia molto comune nel settore edile. A scegliere per prima questa strada sono stati gli americani, che ne hanno apprezzato non solo le caratteristiche di sostenibilità ambientale, ma anche le doti offerte dal punto di vista dell’isolamento acustico e termico degli ambienti. Ma in che cosa consiste di preciso la poliurea? Si tratta di un poliuretano con ammide, vale a dire un elastomero che, quasi come se fosse un guanto, ha la capacità di aderire alle superfici dando vita a uno strato impermeabile che, proprio in virtù della sua notevole elasticità, è in grado di raggiungere senza problemi anche le zone più inaccessibili.

A che cosa serve l’isolamento termico

Un terrazzo isolato termicamente è utile in primo luogo per tenere alla larga il freddo e il caldo. Se si decide di impiegare la poliurea, per altro, si può beneficiare di ulteriori vantaggi, che derivano dalle proprietà impermeabilizzanti di questa sostanza, ma anche dalle sue caratteristiche fonoassorbenti e deumidificanti. Un cappotto termico a base di poliurea per l’impermeabilizzazione terrazzo calpestabile consente sia di proteggersi dalle temperature estreme, e quindi di godere di un comfort domestico eccellente, sia di essere al riparo da rumori fastidiosi che potrebbero provenire dall’esterno. Ma ci sono anche altri benefici che meritano di essere messi in evidenza, per esempio a livello di privacy, senza dimenticare la possibilità di contrastare la comparsa di muffa e condense.

Chi applica la poliurea a spruzzo

È necessario mettere in evidenza che le operazioni di applicazione di poliurea a spruzzo devono essere affidate a un team specializzato: ecco perché è consigliabile rivolgersi ai tecnici di Poliurea Italia, che offrono competenza e professionalità garantendo risultati ottimali per qualunque esigenza. Gli interventi compiuti dal team di Poliurea Italia permettono di beneficiare di un isolamento termico completo, grazie a cui si potrà dire addio a qualsiasi genere di problema tanto per i contesti indoor quanto per gli spazi outdoor. L’impiego di materiali certificati per l’esecuzione di tutte le lavorazioni fa sì che gli standard di qualità offerti da Poliurea Italia siano i più elevati, complice la notevole esperienza del personale.

La resistenza nel tempo

Tutti i prodotti a base di poliuretano sono resistenti agli agenti chimici e ai solventi, visto che si tratta di polimeri. Inoltre, la poliurea si caratterizza per una struttura a molecole chiuse per effetto della quale anche in presenza di sollecitazioni innescate dalla neve o dalla pioggia non subisce alterazioni. Infine, va segnalato che la poliurea a spruzzo assicura la massima resistenza agli attacchi biologici, così da contrastare la comparsa e la proliferazione di funghi e muffe.

I vantaggi offerti dalla poliurea a spruzzo

Una volta applicata, la poliurea a spruzzo dura a lungo nel tempo, ed è anche questo il motivo per il quale si può ritenere un materiale adatto a una grande varietà di lavorazioni. I tempi di posa sono particolarmente rapidi, visto che sono sufficienti pochi secondi per l’asciugatura: questo vuol dire che la pavimentazione diventa calpestabile praticamente subito, e tutto ciò si traduce in un risparmio consistente sulle spese di posa e sui costi di produzione.

Una delle tecnologie più interessanti legate al mondo dei pannelli video utilizzati per gli schermi dei cellulari, tv, monitor e altri dispositivi elettronici è quella OLED, acronimo di Organic Light Emitting Diode.

Che cos’è OLED

Utilizzando una miscela di sostanze chimiche che brillano di un certo colore quando vengono energizzate, i display OLED possono essere eccezionalmente sottili e leggeri. Poiché è possibile variare la quantità di energia ricevuta da ciascun pixel o elemento dell’immagine, si può ottenere un livello di nero eccezionale (un vero nero scuro, non il grigio scuro della maggior parte dei televisori led in commercio).

I pannelli OLED sono anche luminosi ed efficienti dal punto di vista energetico.

Gli schermi basati su LED (diodi a emissione di luce) rappresentano ancora lo standard del settore user, ma le tendenze verso la miniaturizzazione dei dispositivi, la portabilità, una maggiore efficienza e una maggiore qualità dell’immagine hanno alimentato gradualmente i pannelli OLED .

Attualmente, i televisori OLED superano i tradizionali prodotti a LED su diversi fronti. Sono disponibili in una gamma versatile di formati: pannelli fino a 88 pollici soddisfano le esigenze dei display TV premium e sui monitor HDR di fascia alta; mentre gli schermi AMOLED (OLED a matrice attiva) più piccoli stabiliscono il punto di riferimento della qualità dell’immagine nel settore degli smartphone. I dispositivi OLED pieghevoli hanno finalmente iniziato ad entrare anche nel mercato dell’elettronica di consumo e sono ormai disponibili in tutti i migliori negozi di elettronica, mantenendo una promessa di lunga data dai sostenitori di questa tecnologia.

OLED vs LED

I tradizionali televisori a LED si basano sulla tecnologia dello schermo con display a cristalli liquidi (LCD); una struttura di realizzazione piuttosto collaudata.

Su uno schermo LCD, le immagini sono prodotte da un sottile strato di soluzione di cristalli liquidi sovrapposta a una griglia di transistor che utilizza piccole cariche elettriche per impostare i singoli cristalli in uno stato open/close. Questa situazione produce uno schema di pixel chiari e scuri, ma la luce stessa è prodotta da una serie di LED disposti ai bordi dello schermo o in una matrice retroilluminata.

La migliore immagine possibile sugli schermi LCD viene prodotta utilizzando una retroilluminazione a LED full-array con attenuazione locale (dimming) che produce il contrasto più ampio possibile. Tuttavia, gli LCD comprendono più strati sequenziali all’interno del pannello (filtri colorati, polarizzatori, ecc.) necessari per produrre immagini completamente saturate ma che possono inibire l’uniformità dell’immagine e gli angoli di visualizzazione. Ciò rende anche i televisori LED più spessi e pesanti, rendendoli non idonei per prodotti in cui è importante ridurre lo spessore o il peso.

Gli OLED aggirano ciascuno di questi problemi evitando una retroilluminazione a favore di un pannello auto-emissivo di materiale a base di carbonio organico. Ciò consente a ciascun subpixel sullo schermo di essere controllato in modo indipendente.

Oltre a maggiori gamme dinamiche ed efficienza energetica, le caratteristiche uniche dei pannelli OLED consentono un numero significativamente inferiore di strati nella matrice dello schermo. Di conseguenza, i televisori OLED sono in genere più sottili e leggeri rispetto agli LCD convenzionali, ma costano molto di più rispetto ai display LCD.

Come detto nei pannelli OLED i colori sono brillanti e i neri sono uniformi.

Che cos’è QD LED

Si tratta di una tecnologia variante dell’OLED progettata da Samsung Display, la tecnologia ha fatto scalpore attraverso i grandi monitor di TV e PC. Ma cos’è esattamente QD-OLED, quanto è diverso dal normale OLED e abbiamo davvero bisogno di un altro acronimo?

QD-OLED sta per “diodo organico a emissione di luce a punti quantici”. La tecnologia proviene da Samsung Display, che ha iniziato a metterla in produzione nel 2019.

È una versione rinnovata di OLED che offre “la più ampia gamma di espressioni cromatiche tra la tecnologia di visualizzazione esistente”, come dice la stessa casa coreana . Samsung afferma che i suoi televisori QD-OLED possono coprire il 99,8% della gamma DCI-P3.

Per farla breve, il pannello QD-OLED di Samsung dovrebbe essere come il tradizionale OLED, noto per il suo impressionante contrasto provocato da neri ricchi e profondi, ma con colori più vividi e coerenti su tutti i livelli di luminosità. Samsung afferma che i suoi pannelli QD-OLED forniranno più dettagli nelle aree evidenziate, mentre i pannelli OLED standard potrebbero sembrare più sbiaditi e portare un colore migliore nelle aree più scure, quindi le ombre non saranno così “opprimenti”. La società afferma inoltre che la tecnologia offre angoli di visione superiori grazie al modo in cui funzionano i punti quantici .