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Oct 18, 2023

Gli scienziati creano un nuovo materiale cinque volte più leggero e quattro volte più resistente dell'acciaio

I materiali resistenti e leggeri possono migliorare qualsiasi cosa, dalle automobili agli aeroplani alle apparecchiature mediche. Ora, i ricercatori hanno creato un materiale straordinariamente resistente con un valore molto basso

I materiali resistenti e leggeri possono migliorare qualsiasi cosa, dalle automobili agli aeroplani alle apparecchiature mediche. Ora, i ricercatori hanno creato un materiale straordinariamente resistente con una densità molto bassa, utilizzando due improbabili elementi costitutivi: DNA e vetro.

"A parità di densità, il nostro materiale è il più resistente conosciuto", secondo Seok-Woo Lee dell'Università del Connecticut, che ha collaborato con colleghi della Columbia University e del Brookhaven National Lab.

"Sono un grande fan dei film di Iron Man", ha riflettuto lo scienziato dei nanomateriali Oleg Gang. “Mi sono sempre chiesto come creare un'armatura migliore per Iron Man. Deve essere molto leggero per poter volare più velocemente. Deve essere molto forte per proteggerlo dagli attacchi dei nemici.

“Il nostro nuovo materiale è cinque volte più leggero ma quattro volte più resistente dell’acciaio”.

Alcuni metalli, come il titanio, sono più resistenti e leggeri del ferro. Alcune leghe sono ancora più resistenti e consentono la realizzazione di armature leggere, dispositivi medici migliori e automobili e aeroplani più sicuri e veloci. Negli ultimi anni le tecniche metallurgiche hanno raggiunto il limite, finché i nanomateriali non hanno liberato opportunità creative.

I colleghi hanno riferito in Cell Reports Physical Science che costruendo una struttura di DNA e poi rivestendola con vetro, hanno creato un materiale molto resistente con una densità molto bassa. Il vetro potrebbe sembrare una scelta sorprendente, poiché si frantuma facilmente. Tuttavia, il vetro solitamente si frantuma a causa di un difetto nella sua struttura, come una crepa, un graffio o la mancanza di atomi. Un perfetto centimetro cubo di vetro può resistere a 10 tonnellate di pressione, più di tre volte la pressione che ha fatto iplodere il sommergibile Oceangate Titan vicino al Titanic quest'estate.

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Secondo UCONN News, è molto difficile creare un grande pezzo di vetro senza difetti. Ma i ricercatori sapevano come realizzare pezzi molto piccoli e impeccabili. Finché il vetro ha uno spessore inferiore a un micrometro, è quasi sempre impeccabile. E poiché la densità del vetro è molto inferiore a quella dei metalli e della ceramica, qualsiasi struttura realizzata in impeccabile vetro nanometrico dovrebbe essere resistente e leggera.

Il team ha creato una struttura di DNA autoassemblante. Quasi come i Magnatiles, pezzi di DNA di lunghezze e caratteristiche chimiche specifiche si sono uniti insieme formando uno scheletro del materiale. Immagina la struttura di una casa o di un edificio, ma fatta di DNA.

Gang e Aaron Mickelson del Centro per i nanomateriali funzionali della Columbia e Brookhaven hanno rivestito il DNA con uno strato molto sottile di materiale simile al vetro, spesso solo poche centinaia di atomi. Il vetro ricopriva appena i filamenti del DNA, lasciando gran parte del volume materiale come spazio vuoto, proprio come le stanze all’interno di una casa o di un edificio. Lo scheletro del DNA, come un'impalcatura, ha rinforzato il sottile e impeccabile rivestimento di vetro rendendo il materiale molto resistente: con i vuoti che costituivano la maggior parte del volume del materiale, è diventato leggero.

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Di conseguenza, la struttura a nanoreticolo di vetro ha creato una combinazione di resistenza e leggerezza mai raggiunta prima.

“La capacità di creare nanomateriali con strutture 3D progettate utilizzando il DNA e di mineralizzarli apre enormi opportunità per l’ingegneria delle proprietà meccaniche”. Gang ha spiegato in un comunicato di UConn News.

Ma è ancora necessario molto lavoro di ricerca. Il team sta attualmente lavorando con la stessa struttura del DNA, ma sostituendo il vetro con ceramiche di carburo ancora più resistenti. Hanno in programma di sperimentare diverse strutture di DNA per vedere quale rende il materiale più resistente.

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Lee ritiene che la nanoarchitettura degli origami di DNA aprirà una nuova strada per creare materiali più leggeri e resistenti che non avremmo mai immaginato prima.