Un nuovo materiale che cambia colore e consistenza come la pelle di un polpo

Polpi e seppie sono maestri del mimetismo: molte specie dui cefalopodi possono cambiare rapidamente sia il colore che la consistenza della loro pelle, una capacità che gli scienziati hanno a lungo cercato di replicare con materiali sintetici. Il nuovo studio “Soft photonic skins with dynamic texture and colour control”, pubblicato su Nature da un team di ricercatori della Stanford University ha fatto compiere un passo avanti significativo verso questo obiettivo, ottenendo un materiale flessibile che può cambiare colori e consistenza in pochi secondi, creando motivi con una risoluzione più fine di un capello umano.

Il principale autore dello studio, Siddharth Doshi , dottorando in scienza e ingegneria dei materiali alla Stanford, evidenzia che «Le texture sono cruciali per il modo in cui percepiamo gli oggetti, sia per come appaiono che per come li percepiamo al tatto. Questi animali possono modificare fisicamente il loro corpo a una scala prossima al micron, e ora possiamo controllare dinamicamente la topografia di un materiale, e le proprietà visive ad esso collegate, a questa stessa scala».

Alla Stanford dicono che «Lo studio potrebbe portare a un camouflage dinamico più efficace, sia per gli esseri umani che per i sistemi robotici e contribuire potenzialmente alla creazione di display flessibili e cangianti per le tecnologie indossabili. Apre inoltre nuove opportunità nel campo della nanofotonica, che utilizza la manipolazione precisa della luce e dell'ottica per progressi in elettronica, crittografia, biologia e altri settori».

L’autore senior dello studio, Nicholas Melosh , professore di scienza e ingegneria dei materiali alla stanford spiega che «Non esiste nessun altro sistema che possa essere così morbido e rigonfiabile, e che possa essere modellato su scala nanometrica. Si possono immaginare tantissime applicazioni diverse".

Per creare texture dinamiche in un materiale flessibile, i ricercatori hanno unito la litografia a fascio di elettroni, solitamente utilizzata nella produzione avanzata di semiconduttori, con una pellicola polimerica che si gonfia assorbendo acqua. Sparando un fascio di elettroni sulla pellicola, sono stati in grado di regolare l'entità del rigonfiamento di alcune aree del materiale, creando motivi dettagliati che si rivelavano solo quando la pellicola era bagnata.

Il team di ricerca sottolinea che «La scoperta che un fascio di elettroni potesse modificare l'assorbenza del polimero e creare motivi di colori e texture diversi è stata inizialmente una sorpresa. In un progetto precedente, Doshi aveva utilizzato un microscopio elettronico a scansione – che utilizza un fascio di elettroni focalizzato per creare un'immagine ad alta risoluzione – per esaminare le nanostrutture che il team aveva creato su una pellicola polimerica. In genere, quei campioni venivano scartati dopo l'imaging, ma Doshi ha deciso di riutilizzarli invece di crearne di nuovi. Nella serie di test successiva, le regioni della pellicola che erano state acquisite con il microscopio elettronico a scansione si comportavano in modo diverso e assumevano un colore diverso».

Doshi aggiunge: «Ci siamo resi conto che potevamo usare questi fasci di elettroni per controllare la topografia su scale molto fini. E’ stata sicuramente una coincidenza fortuita».
La modellazione del fascio di elettroni è così precisa che il team è riuscito a creare una replica in scala nanometrica della formazione rocciosa El Capitan del Parco Nazionale di Yosemite. Una volta asciutta, la pellicola è perfettamente piatta, ma non appena si aggiunge acqua, la forma del monolite si solleva dalla superficie. Hanno anche creato texture su scala fine che modificano il modo in cui la luce viene diffusa a seconda della quantità di acqua aggiunta alla pellicola. Questo ha permesso di creare finiture superficiali che vanno dal lucido all'opaco, producendo un aspetto più realistico di quello attualmente possibile con i display di smartphone o computer. Tutte le pellicole possono essere facilmente riportate al loro stato piatto aggiungendo un solvente simile all'alcol per rimuovere l'acqua.

Il team ha dimostrato che «La stessa tecnica può essere utilizzata per progettare e rivelare pattern di colori complessi e commutabili». I ricercatori hanno applicato sottili strati metallici su ciascun lato del film polimerico modellato per creare risonatori Fabry-Pérot, che isolano specifiche lunghezze d'onda della luce in base alla distanza tra gli strati metallici. Man mano che i film polimerici si gonfiano fino a raggiungere diverse larghezze, mostrano una varietà di colori. Con la stessa modellazione a fascio di elettroni e la giusta miscela di acqua e solvente, il foglio monocromatico diventa un tripudio di punti e chiazze colorate.

L’altro autore senior dello studio, Mark Brongersma, professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Stanford, spiega a sua volta che «Controllando dinamicamente lo spessore e la topografia di una pellicola polimerica, è possibile realizzare un'ampia varietà di colori e texture di grande impatto. L'introduzione di materiali morbidi in grado di espandersi, contrarsi e alterare la propria forma apre una gamma di strumenti completamente nuova nel mondo dell'ottica per manipolare l'aspetto delle cose».

Quando i ricercatori hanno messo insieme pellicole diverse in un dispositivo multistrato, sono riusciti a manipolare contemporaneamente in modo indipendente sia il colore che la consistenza, mimetizzandosi con un motivo di sfondo quasi con la stessa abilità di un polpo (anche se non senza tentativi ed errori). Attualmente, per far sì che le pellicole corrispondano esattamente a un pattern di sfondo, i ricercatori devono regolare manualmente la combinazione di acqua e solvente per ottenere la topografia e i colori corretti. In futuro, il team spera di integrare un sistema di visione artificiale in grado di regolare automaticamente il livello di rigonfiamento per far sì che le pellicole si fondano con una varietà di sfondi.
Doshi ha detto che «Vogliamo essere in grado di controllare tutto questo con reti neurali, fondamentalmente un sistema basato sull'intelligenza artificiale, che possa confrontare la pelle e il suo sfondo, quindi modularli automaticamente per adattarli in tempo reale, senza intervento umano».

I ricercatori sono interessati anche ad applicazioni che vanno oltre il camuffamento visivo: «Ad esempio, modifiche strutturali su piccola scala potrebbero essere utilizzate per aumentare o diminuire l'attrito, il che potrebbe aiutare a determinare se un piccolo robot aderirà a una superficie o scivolerà oltre. Le strutture su scala nanometrica possono modificare il modo in cui le cellule rispondono, quindi queste tecniche potrebbero trovare applicazioni anche in bioingegneria. Stanno persino collaborando con artisti della Stanford per creare una mostra che utilizzi questi materiali come medium artistico».

Melosh conclude: «Piccoli cambiamenti nelle proprietà dei materiali morbidi su distanze micrometriche sono finalmente possibili, il che aprirà ogni sorta di possibilità. Penso che siano in arrivo molte cose entusiasmanti».