L’incredibile pelle idrorepellente del geco. Il segreto è nelle minuscole spine

Le strutture idrofobiche specializzate dei gechi potrebbero servire a progettare superfici autopulenti

[12 marzo 2015]

I gechi sono le star di chi si occupa di bio-fisica e di robotica, in particolare per la forte aderenza delle setole delle quali sono munite le loro zampe, ma le altre parti del corpo di questi rettili sono state poco studiate, in particolare per quanto riguarda le funzioni che possono svolgere le loro  nano e microstrutture. Eppure i gechi hanno una microstrutturazione interessante e intricata sulla pelle che potrebbe essere evolutivamente collegata alla microstrutturazione delle zampe.

Lo studio “Removal mechanisms of dew via self-propulsion off the gecko skin”, pubblicato  su Interface della Royal Society da un team di ricercatori australiani e britannici , si occupa proprio della pelle di un geco Lucasium steindachneri, e spiega che «La condensa causando la formazione di film o goccioline d’acqua è un processo inevitabile sulla cuticola o la pelle di molti organismi. Questo processo avviene generalmente in condizioni umide quando la temperatura scende al di sotto del punto di rugiada». I ricercatori  hanno studiato come si comportano le goccioline di rugiada sulla pelle del geco ed hanno scoperto che, invece di formare un film sottile, crescono di dimensioni, si fondono e «possono subire un’autopropulsione fuori dalla pelle», favorita  da «fattori come la gravità, vento e nebbia che  forniscono meccanismi per rimuovere queste piccole goccioline dalla superficie della pelle geco », dicono i ricercatori.

La caratteristica importante di questo gruppo di sauri  sono i piccoli “peli”, di solito chiamati spine, spinule o microspinule, distanziati 0,2-0,7 micron e che arrivano fino a diversi micrometri di altezza. Un precedente studio ha dimostrato che queste spine possono essere idrorepellenti  e che potrebbero servire come una superficie autopulente, grazie alla quale la pioggia potrebbe portare via contaminanti. «Mantenere la superficie della pelle del geco libera  da un velo d’acqua può essere utile per una serie di motivi – sottolineano i ricercatori –  Ad esempio, la crescita di molti microrganismi è esaltata dalla maggiore disponibilità di acqua e la loro proliferazione può derivare da tali condizioni di bagnabilità. Infatti, gli studi hanno dimostrato che alcune lucertole sono suscettibili a vari contaminanti esterni che possono causare gravi problemi e malattie della pelle. Condizioni di elevata umidità e basse temperature hanno dimostrato di poter agire come potenziali fattori nello sviluppo di tali infezioni batteriche nei rettili. Così, la bagnabilità della pelle (la barriera meccanica e il potenziale portale) gioca un ruolo importante per le  particelle e la resistenza microbica».

Il geco terrestre Lucasium steindachneri  vive in habitat semi-aridi dell’Australia, dove il contatto con la pioggia è limitato, ma lo stesso ambiente è caratterizzato dall’aria umida e da basse temperature durante la notte, che possono potenzialmente causare la condensa sotto forma di rugiada, e lo studio si focalizza proprio sul comportamento della condensa sulla pelle del geco come possibile fonte di contaminazione. Gli scienziati ricordano che  «Recentemente, è stato dimostrato su alcune superfici super-idrofobiche  naturali e artificiali che quando le piccole gocce d’acqua di condensazione si fondono, man mano che crescono in dimensioni, allora la singola gocciolina combinata diventa semovente dalla superficie. Questo processo nasce da una variazione dell’energia superficiale prodotta dall’evento di trasformazione (coalescenza). È interessante notare che questo processo ha dimostrato di favorire l’eliminazione di piccole particelle contaminanti dalle superfici ed è quindi un potenziale meccanismo di autopulizia. Ad oggi, gli unici esempi riportati del processo di auto-propulsione su una superficie animale  erano sulle ali degli insetti»

I ricercatori si sono posti alcune domande:  «1) In che misura questo processo di auto-propulsione avviene in natura? 2) Queste superfici hanno strutture gerarchiche più intricate e complesse delle semplici cuticole che gli  insetti utilizzano  per tale funzionalità? 3) Il processo aiuta la  sopravvivenza delle specie? 4) È importante evidenziare quali meccanismi specifici vengono utilizzati e quali fattori sono coinvolti per favorire questo processo di rimozione totale delle gocce d’acqua dalla superficie (ad esempio altre forze ambientali, le abitudini, la forma di organismo)?»

Per capire come funziona la cosa i ricercatori hanno dovuto purtroppo praticare l’eutanasia ad alcuni gechi, poi hanno prelevato la loro pelle e la hanno divisa in piccole sezioni, che hanno messo su un piatto di rame che è stato portato in laboratorio alla bassa temperatura del punto di rugiada, favorendo la formazione di condensa.  Poi hanno usato un microscopio a scansione elettronica per ingrandire le spine sulla pelle del geco. E’ così che il team ha identificato diversi meccanismi responsabili dell’espulsione dell’acqua dalla pelle del geco, che si comporta come una foglia di loto impermeabile, incoraggiando le piccole gocce di rugiada ad aggregarsi ed impedendo all’acqua di distribuirsi uniformemente su tutta la superficie della pelle. Poi gravità, vento e spine idrofobiche del geco fanno il resto. Una gocciolina di circa 2 millimetri di diametro deve vedersela con circa 100.000 spine della pelle idrorepellenti.

Il team ha anche osservato che quando una piccola goccia esterna, ed esempio di nebbia, atterra su una goccia più grande già addosso al geco, il conseguente cambiamento di energia superficiale spara letteralmente fuori dalla pelle dell’animale la goccia più grande, ad una velocità che è quasi quella prodotta dalla collisione di due palle da biliardo. Infine, il team di  ricercatori  ha scoperto che le gocce molto piccole, con un diametro tra i 10 e gli 80 micrometri, non richiedono forze esterne per essere espulse dalla pelle del geco: sono abbastanza piccole che se ne sbarazzano semplicemente le spine idrofobiche.

I test sono stati eseguiti solo sulla pelle dei Lucasium steindachneri ma studi precedenti avevano trovato microspine su tutti i gechi, quindi anche le altre specie potrebbero avere gli stessi poteri autoespellenti dell’qua.

Quindi i gechi potrebbero non solo dare un aiuto nella progettazione di bio-adesivi, ma anche alla realizzazione di superfici self-drying. Come scrive Rachel Nuwer su Smithsonian.com, «Forse ogni finestra del futuro sarà integrata con la sua pelle di geco sintetica, che impedisce la condensa prima ancora che possa formarsi».