Dal tabacco al cyberwood
Gli scienziati dell'ETH di Zurigo hanno realizzato un termometro che è almeno cento volte più sensibile dei precedenti sensori di temperatura. ? costituito da un materiale ibrido biologicamente sintetizzato con cellule di tabacco e nanotubi.
L'umanità si è sempre ispirata alla natura e l'ha imitata per sviluppare nuove tecnologie. Gli esempi spaziano dall'ingegneria meccanica alla farmacia, fino ai nuovi materiali. Ad esempio, gli aeroplani sono modellati sugli uccelli e molti farmaci hanno origine da principi attivi di origine vegetale. I ricercatori del Dipartimento di ingegneria meccanica e dei processi hanno fatto un ulteriore passo avanti: per sviluppare un sensore di temperatura estremamente sensibile, hanno utilizzato cellule vegetali sensibili alla temperatura. Tuttavia, non hanno imitato le proprietà di queste cellule, ma hanno sviluppato un materiale ibrido che contiene componenti sintetici e le stesse cellule vegetali. "Abbiamo lasciato che la natura lavorasse per noi", spiega Chiara Daraio, professoressa di meccanica e materiali, riassumendo l'approccio.
Gli scienziati sono riusciti a sviluppare il sensore di temperatura di gran lunga più sensibile, ovvero un componente elettronico che cambia la propria conduttività a seconda della temperatura. "Con nessun altro sensore le fluttuazioni di temperatura così piccole portano a cambiamenti così grandi nella conduttività; il nostro sensore reagisce almeno cento volte più fortemente dei migliori sensori esistenti", afferma Raffaele Di Giacomo, postdoc nel gruppo di Daraio.
L'acqua sostituita dai nanotubi
? noto da decenni che le piante hanno la straordinaria capacità di riconoscere differenze di temperatura anche minime e di reagire ad esse modificando la conduttività delle loro cellule. Le piante sono più brave di qualsiasi sensore creato dall'uomo.
Di Giacomo ha sperimentato con cellule di tabacco in coltura cellulare. "Ci siamo chiesti come avremmo potuto trasferire queste cellule in un materiale secco e senza vita in modo tale da preservare le loro proprietà termosensibili", spiega. Lo scienziato ha raggiunto il suo obiettivo facendo crescere le cellule in un terreno contenente piccolissimi tubi di carbonio. Questi "nanotubi di carbonio" elettricamente conduttivi hanno formato una rete tra le cellule di tabacco e sono stati in grado di penetrare la loro parete cellulare. Quando Di Giacomo ha essiccato le cellule coltivate in questo modo, ha ottenuto un materiale solido simile al legno che ha chiamato cyberwood. A differenza del legno, è elettricamente conduttivo grazie ai nanotubi e, cosa interessante, questa conduttività dipende dalla temperatura ed è estremamente sensibile, proprio come nelle cellule di tabacco vive in coltura cellulare.
"Touch screen senza contatto"
I test hanno dimostrato che questo sensore Cyberholz è in grado di riconoscere i corpi caldi anche a distanza, ad esempio una mano che si trova a poche decine di centimetri dal sensore. La conduttività del sensore dipende direttamente dalla distanza tra la mano e il sensore.
Secondo gli scienziati, sono molte le possibili applicazioni del cyberlegno. Ad esempio, stanno pensando di sviluppare un "touchscreen senza tocco" che possa essere controllato con i gesti. I gesti verrebbero rilevati da diversi sensori di temperatura. Sarebbe anche possibile utilizzare telecamere termiche o dispositivi di visione notturna.
La molecola gelificante pectina in un ruolo chiave
Gli scienziati dell'ETH di Zurigo e un collega dell'Università di Salerno, in Italia, non solo hanno studiato in dettaglio le proprietà del loro nuovo materiale, ma anche il suo meccanismo d'azione. Hanno scoperto che le pectine e gli atomi carichi (ioni) giocano un ruolo chiave sia nelle cellule di tabacco in coltura sia nel legno di cipresso essiccato. Le pectine sono molecole di zucchero che si trovano nella parete cellulare delle piante e possono reticolare per formare un gel, con una reticolazione che dipende dalla temperatura. In questo gel sono presenti anche ioni di calcio e magnesio. "Con l'aumento della temperatura, la reticolazione delle pectine diminuisce, il gel diventa più morbido e gli ioni possono muoversi più liberamente", spiega Di Giacomo. Di conseguenza, il materiale conduce meglio l'elettricità a temperature più elevate.
Gli scienziati hanno ora fatto richiesta di brevetto per il sensore. In un ulteriore lavoro, lo stanno sviluppando in modo che non funzioni con le cellule vegetali, ma essenzialmente solo con la pectina e gli ioni. In questo modo, sperano di realizzare un sensore mobile, traslucido e biocompatibile con la stessa sensibilità alla temperatura estremamente elevata. Tale sensore potrebbe essere modellato in qualsiasi forma e prodotto a basso costo, il che, secondo i ricercatori, aprirebbe possibilità di applicazione completamente nuove, tra cui la biomedicina e le termocamere economiche.
Riferimento alla letteratura
Di Giacomo R, Daraio C, Maresca B: Materiali nanobionici vegetali con una risposta gigante alla temperatura mediata dalla pectina-Ca2+. PNAS 30 marzo 2015, doi: pagina esterna10.1073/pnas.1421020112