Le infinite sorprese dei ragni: tessono un materiale fononico unico. Può gestire suoni e calore

Una rivoluzionaria ricerca internazionale apre la strada alla realizzazione di nuovi materiali

[27 luglio 2016]

Tela ragno

La seta di ragno è forte come l’acciaio ed elastica come gomma, ha ispirato molti materiali sintetici come il kevlar e nylon e gli scienziati continuano a scoprire una miriade di suoi possibili utilizzi. Ora  nuove scoperte sulle proprietà delle ragnatele  potrebbero ispirare nuovi materiali per gestire sia  il suono che il calore nei circuiti semiconduttori che utilizzano elettroni. E’ quanto emerge dallo studio “Nonlinear control of high-frequency phonons in spider silk” pubblicato su  Nature Materials da un team di ricercatori tedeschi, greci, svizzeri, statunitensi e singaporiani che esamina la struttura microscopica della seta di ragno e ne rivela caratteristiche uniche nel modo in cui trasmette i  fononi , le quasiparticelle del suono.

Gli scienziati statunitensi della Rice University che hanno partecipato allo studio spiegano che «La ricerca dimostra per la prima volta che la seta di ragno ha un phonon band gap . Questo  significa che può bloccare le onde di fononi a determinate frequenze,  nello stesso modo in una band gap elettronica – la proprietà di base dei materiali semiconduttori – permettendo ad alcuni elettroni di passare e fermandone altri».

Il team internazionale di ricerca sottolinea che  si tratta della prima scoperta di una “hypersonic phononic band gap in un materiale biologico».

Uno degli autori dello studio, lo scienziato dei materiali  Dean Edwin Thomas della Rice,  evidenzia che «Resta da capire come i ragni utilizzino questa proprietà, ma ci sono chiare implicazioni per i materiali». Secondo Thomas,  «La microstruttura cristallina della seta di ragno potrebbe essere replicata in altri polimeri. Questo potrebbe consentire  di produrre materiali dinamici sintonizzabili  come guide dell’onda di fononi e per il suono o l’isolamento termico, dal momento che il calore si propaga attraverso i solidi tramite i fononi. I fononi sono onde meccaniche  se un materiale ha delle regioni di diversi moduli elastici e densità, quindi le onde lo percepiscono e fanno quel che fanno le onde: si disperdono. I dettagli della dispersione dipendono dalla disposizione e dagli accoppiamenti meccanici delle diverse regioni all’interno del materiale dal quale si stanno spargendo».

I ragni sono abilissimi a percepire e inviare  vibrazioni in una ragnatela e le utilizzano sia per individuare eventuali difetti nella tela che per sapere quando “cibo” è stato catturato. Quindi, la loro seta ha la capacità di trasmettere una vasta gamma di suoni che gli scienziati ritengono che i ragni possano interpretare in vari modi. Ma i ricercatori hanno scoperto seta ha anche la capacità di smorzare un suono.

Thomas spiega ancora: «La di seta ha un sacco di diverse microstrutture, interessanti, e il nostro team  ha scoperto come controllare la posizione della band gap, modificando la tensione nella fibra della  seta. C’è una gamma di frequenze alle quali viene impedito di propagarsi. Se si trasmette il suono ad una particolare frequenza, non andrà nel materiale».

Dal  2005 Thomas  lavora con George Fytas, uno scienziato dei materiali dell’università di Creta e dell’ Institute of Electronic Structure and Laser Foundation for Research and Technology-Hellas,  su un progetto per definire le proprietà dei cristalli fononici ipersonici. In questo lavoro, i due ricercatori hanno misurato la propagazione dei  fononi e hanno rilevato le  lacune nelle bande  in cristalli di polimeri sintetici allineati a intervalli regolari. «I cristalli fononici offrono la possibilità di manipolare le onde sonore, e se si ottiene un  suono a frequenze abbastanza alte e abbastanza basse, si stiamo parlando di calore – dice  Thomas –  Essere in grado di produrre un flusso di calore in questo modo e non in un altro modo, o fare in modo che non possa  fluire ovunque, , significa che si sta trasformando un materiale in un isolante termico che prima non c’era»

Fytas e Thomas hanno deciso di studiare dettagliatamente l’organo che i ragni utilizzano per costruire bordo esterno delle loro ragnatele e che utilizzano come un’ancora di salvezza. Anche se la seta è stata studiata per migliaia di anni,  solo recentemente è stata analizzata per le sue proprietà acustiche. La seta di ragno è costituita proteina, che si ripiega in strati e forma cristalli. Questi cristalli proteici rigidi sono collegati tra loro da catene amorfe più morbide, lo stiramento e il rilassamento  di queste catene interconesse cambia le proprietà acustiche della seta, regolando l’accoppiamento meccanico tra i cristalli.

Il team di Fytas al Max-Planck-Institut für Polymerforschung, ha realizzato esperimenti Brillouin light scattering   per testare la seta sottoposta a vari gradi di stress. «George è stato geniale – dice Thomas – Con il Brillouin scattering si utilizza la luce per creare fononi così come li assorbono dal campione. Il BLS permette di vedere come fononi si muovono all’interno di qualsiasi oggetto, a seconda della temperatura e della microstruttura del materiale».

E’ così che i ricercatori hanno scoperto che, quando la seta era “super-contratta” la velocità dei fononi diminuiva del 15%, mentre la larghezza di banda di frequenze, che avrebbero potuto bloccare, aumentava del 31%. Viceversa, quando veniva tesa, la velocità aumentava di circa il 27%  mentre la larghezza della banda diminuiva del 33%.  Nella sta originale (non contratta) è stato osservato un band gap  a circa 14,8 gigahertz , con una larghezza di circa 5,2 gigahertz.

Secondo il team internazionale è altrettanto interessante la unique region of negative group velocity : «A queste condizioni, anche se le onde di fononi spostato in avanti, la velocità di fase si sposta all’indietro –  spiega ancora Thomas ha – Suggerendo che l’effetto può consentire la messa a fuoco di fononi ipersonici.  Attualmente, non sappiamo come fare tutto questo in altri materiali in fibre macromolecolari. C’è stata una discreta quantità di ricerche sui  polimeri sintetici come il nylon, ma nessuno ha mai trovato un band gap».