Un nero così non si era mai visto…

Un’azienda inglese di nanotecnologia ha fabbricato il materiale più nero esistente al momento, il quale è in grado di intrappolare la luce visibile e rifletterne solo lo 0,035%.

Un campione di Vantablack, materiale super-nero pensato per applicazioni astronautiche e militari. [Immagine: Surrey NanoSystems]

Un campione di Vantablack, materiale super-nero pensato per applicazioni astronautiche e militari. [Immagine: Surrey NanoSystems]

In realtà, è talmente nero che non si vede: l’occhio umano incontra difficoltà a percepirne forma e bordi. Si tratta di un materiale in grado di assorbire il 99,965% della luce visibile, prodotto da una compagnia inglese di nanotecnologia, la Surrey NanoSystems.

Vantablack, questo il nome, è dunque il materiale più nero che sia mai stato fabbricato ed è un ‘tessuto’ di nanotubi di carbonio. Quando un fotone, ossia una particella di luce, colpisce il materiale, resta intrappolato nella struttura e rimbalza all’interno fino ad essere assorbito, mentre la sua energia viene trasformata in calore. Il risultato è che il materiale non emette radiazione visibile (a parte un restante 0.035%), pertanto appare di color nero profondo, quasi come un buco in una superficie.

Il tessuto super-nero evidentemente non è pensato per l’industria della moda, bensì come materiale per applicazioni astronautiche e militari. In particolare, strumenti per immagini elettro-ottiche e sistemi di localizzazione potranno migliorare molto le loro prestazioni.

I telescopi potranno essere capaci di captare la radiazione proveniente dalle stelle meno luminose, in quanto Vantablack è in grado ridurre notevolmente la luce spuria -ossia proveniente da sorgenti indesiderate- grazie alla sua grande efficienza di assorbimento.

Corsa alla produzione di materiali sempre più neri

Dacché negli anni 90 si scoprì che si poteva fabbricare un materiale sottile e resistente con i nanotubi di carbonio, scienziati e ingegneri si sono lanciati in una corsa alla produzione di materiali sempre più neri. La NASA ha fabbricato materiali in grado di assorbire quasi interamente la luce visibile, ultravioletta e infrarossa. Essi sono realizzati facendo crescere strati di nanotubi di carbonio sopra substrati di silicio, titanio e acciaio.

Vantablack è prodotto tramite crescita di nanotubi di carbonio con un processo a temperatura relativamente bassa.

Vantablack è prodotto tramite crescita di nanotubi di carbonio con un processo a temperatura relativamente bassa.

La vera virtù di Vantablack è che, non solo è ancora più assorbente, è anche fabbricato tramite un processo di crescita dei nanotubi a temperatura relativamente bassa, ossia 400ºC, contro i 750ºC normalmente raggiunti. Ciò consente la crescita sopra materiali più leggeri, come l’alluminio, che non possono sostenere temperature troppo elevate. Di conseguenza, il ventaglio di possibili applicazioni pratiche di tale materiale si amplia notevolmente.

Vari test hanno inoltre comprovato che Vantablack sopporta diversi tipi di stress e non emette particelle eventualmente intrappolate nella struttura, che potrebbero ‘macchiare’ le immagini riprese da sistemi ottici sensibili.

La Surrey NanoSystems ha già commercializzato il prodotto, al momento richiesto per uso spaziale e militare, e prevede di ampliare in tempi brevi la produzione e le tipologie di applicazione.

Ovviamente la corsa al nero più nero non si è arrestata, la stessa Surrey NanoSystems sta lavorando ad una versione ancora più assorbente di Vantablack… resta quello 0,035% da abbattere.

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Che fine ha fatto Curiosity?

Curiosity, il gioiello di tecnologia inviato dalla NASA su Marte per esplorarne il suolo e il clima, ha appena scoperto un grande meteorite di ferro. La sua avventura continua, però con alcune difficoltà inattese.

Curiosity fu lanciato da Cape Canaveral il 26 Novembre 2011 a bordo della navicella MSL e atterrò con successo su Marte, nel cratere Gale, il 6 Agosto 2012, alle 19:17 (ora italiana). [Immagine: NASA/JPL]

Curiosity fu lanciato da Cape Canaveral il 26 Novembre 2011 a bordo della navicella MSL e atterrò con successo su Marte, nel cratere Gale, il 6 Agosto 2012, alle 19:17 (ora italiana). [Immagine: NASA/JPL]

Era il 6 agosto 2012 quando tutto il mondo tentava di collegarsi al sito della NASA per vedere in diretta l’atterraggio su Marte di Curiosity Rover, il veicolo a motore automatizzato inviato a esplorare il suolo del pianeta rosso, grazie ad un ricco equipaggiamento di strumentazione di avanzatissima tecnologia. E l’animazione “Seven minutes of terror”, che spiegava il processo di atterraggio, ebbe un grandissimo successo nella rete.

Dopo quasi due anni dall’inizio della missione, che ne è di Curiosity?

Come previsto, il rover avanza sulla superficie di Marte ed invia agli scienziati a terra preziose immagini di ciò in cui si imbatte, nonché i dati raccolti dai vari sensori e strumenti di analisi che ha a bordo. Giusto pochi giorni fa, Curiosity ha scoperto un grande meteorite composto di ferro, lungo circa 2 metri, che è stato battezzato dagli scienziati ‘Libano’, probabilmente per la sua forma.

I meteoriti sono aggregati di rocce e metalli, che cadono dallo spazio sulla superficie di un pianeta. Passando attraverso l’atmosfera, essi si riducono di dimensioni e rallentano notevolmente, per poi impattare con il suolo, nel quale scavano un cratere. Lo studio dei meteoriti è estremamente interessante in quanto essi sono testimonianze dell’origine del nostro sistema solare e possono fornire preziose informazioni al riguardo.

'Libano', meteorite di ferro lungo 2m scoperto da Curiosity sulla superficie di Marte. [Immagine: NASA/JPL]

‘Libano’, meteorite di ferro lungo 2m scoperto da Curiosity sulla superficie di Marte. [Immagine: NASA/JPL]

‘Libano’ è il primo meteorite trovato da Curiosity, però non il primo scoperto su Marte. I predecessori del veicolo esploratore, infatti, ossia Spirit e Opportunity, avevano entrambi rilevato la presenza di vari campioni di dimensioni più piccole. Anch’essi erano composti per lo più di ferro, mentre la maggior parte dei meteoriti rintracciati sulla Terra hanno un’alta percentuale di roccia.

Dato che l’atmosfera di Marte è meno spessa, il passaggio attraverso di essa consuma meno i meteoriti, pertanto – se già sulla Terra essi possono sopravvivere milioni di anni prima di essere completamente erosi – sulla superficie di Marte possono essere presenti meteoriti arrivatici miliardi di anni fa. Alcuni di essi, per altro, potrebbero essere proprio pezzi di suolo terrestre, così come sulla Terra sono stati rintracciati meteoriti di origini marziane.

La foto diffusa dalla NASA è la combinazione di una serie di immagini circolari ad alta risoluzione che Curiosity ha scattato con differenti apparecchiature che ha a disposizione (Chemcam e Remote Micro-Imager).

L’immagine mostra delle cavità di forma angolare nella superficie del meteorite. Una possibile interpretazione è che queste cavità un tempo contenessero cristalli di olivina, rintracciabili in un raro tipo di meteoriti chiamate ‘pallasiti’, quindi si potrebbe trattare di un blocco proveniente dalla zona di confine tra nucleo e mantello di un asteroide.

A che punto è la missione?

Curiosity ha finora percorso 8,5km sulla superficie del pianeta rosso, esplorando tutto ciò che ha incontrato nel cammino. L’obiettivo però è raggiungere e scalare una montagna, chiamata Mount Sharp, e la faccenda non sarebbe complicata se non fosse che Curiosity sta incontrando delle difficoltà inattese. Le sei ruote metalliche con cui si muove, infatti, si sono già deteriorate più di quanto previsto dagli ingegneri a causa dell’eccessiva asprezza del suolo marziano.

Lo scorso dicembre gli scienziati notarono, grazie alle foto inviate dallo stesso veicolo, una evidente rottura in una delle ruote, pertanto decisero di ricalcolare la traiettoria da far seguire a Curiosity, cercando di farlo proseguire su un suolo meno scosceso. Purtroppo per poter raggiungere Mount Sharp il rover dovrà necessariamente attraversare una zona ricca di rocce acuminate, potenzialmente molto dannose per le ruote di Curiosity. Ciascuna ruota è ricavata da un unico blocco di alluminio, misura 40cm di diametro e pesa 3 kg. Tale struttura ha permesso di ridurre molto il peso e l’ingombro del veicolo, però lo ha reso anche più fragile, dato che la sottilissima superficie di alluminio (spessa meno di 1mm) è facilmente perforabile.

Foro visibile in una delle ruote di Curiosity. [Immagine: NASA/JPL]

Foro visibile in una delle ruote di Curiosity. [Immagine: NASA/JPL]

A Curiosity restano solo 3,5km da percorrere per raggiungere la base di Mount Shape, però l’operazione potrebbe richiedere ancora molto tempo. Speriamo che ce la faccia; in ogni caso, sarà un viaggio molto interessante.

Batterie molto più flessibili, sottili e ‘stampate’ per l’elettronica di consumo

L’introduzione di batterie flessibili, ricaricabili, economiche e fabbricabili con stampanti 3D potrebbe rivoluzionare l’industria dell’elettronica di consumo, nonché dei dispositivi medici e dei sensori ambientali.

Un foglio di batterie prodotte dalla Imprint Energy.

Una giovane impresa californiana, chiamata Imprint Energy, si sta specializzando nella produzione di batterie stampate ultrasottili, flessibili e ricaricabili, destinate all’impiego per le apparecchiature elettroniche che soffrono delle limitazioni date dalle batterie tradizionali a ioni di litio (usate nei computer portatili e nei telefoni cellulari).

L’idea nasce dagli studi condotti da una giovane ricercatrice, Christine Ho, durante il suo dottorato all’Università di Berkeley. Conseguito il titolo, Ho fonda nel 2010 la Imprint Energy con dei colleghi, al fine di commercializzare la sua invenzione.

Lo sviluppo di dispositivi elettronici sottili e ultraleggeri è oggigiorno limitato principalmente dalle dimensioni e dal peso delle batterie. Il litio in esse impiegato è un elemento instabile, che reagisce facilmente con l’acqua; è altamente infiammabile e leggermente esplosivo se esposto all’aria. Di conseguenza, esso deve essere isolato ermeticamente dall’ambiente esterno e per far ciò occorre usare un imballaggio che risulta abbastanza ingombrante e pesante.

Tali vincoli volumetrici e di peso possono essere eliminati sostituendo il litio con lo zinco, metallo molto più stabile, che non necessita spessi rivestimenti di protezione. Le batterie a litio, però, impiegano normalmente elettroliti allo stato liquido: ciò non va bene nel caso dello zinco, il quale in presenza di tali sostanze produce delle strutture inerti a ramo che crescono gradualmente fino a mettere in contatto i due elettrodi e rendere non funzionante la batteria.

La tecnologia sviluppata dalla ricercatrice Ho, in collaborazione con dei colleghi in Giappone, si basa sull’uso di un polimero solido al posto di elettroliti liquidi.

Le batterie realizzate con tale tecnologia (registrata con il nome di ZincPolyTM) sono dunque molto sottili e leggere, in quanto non richiedono un packaging voluminoso, sono ricaricabili come quelle a litio, però molto più sicure grazie alla stabilità del metallo usato.

Esse, inoltre, sono stampabili, ossia sono realizzabili semplicemente depositando strati di materiale -sotto forma di inchiostro- su un substrato di vetro, formando così dei fogli che vengono poi assemblati in celle. La possibilità di usare stampanti 3D per la fabbricazione rende il processo poco costoso e molto versatile, in quanto può facilmente essere realizzata la forma richiesta dall’utente.

Già in passato sono state proposte delle batterie stampate (non si tratta dunque di una invenzione di Ho e colleghi), però erano dispositivi usa-e-getta, mentre la tecnologia usata dalla Imprint Energy permette la produzione di batterie ricaricabili.

Processo di fabbricazione di una batteria stampata: un sottilissimo ago depone strati di materiale. [Video: Jennifer Lewis, Harvard University]

Processo di fabbricazione di una batteria stampata: un sottilissimo ago depone strati di materiale. [Video: Jennifer Lewis, Harvard University]

L’azienda si è già assicurata sei milioni di dollari di finanziamento da parte di partner industriali, interessati alle numerose applicazioni possibili.

Se è vero che l’impiego immediato di queste batterie ultrasottili e flessibili è l’elettronica di consumo, sicuramente il settore medico potrà giovarsene: data la loro non tossicità (a differenza di quelle a litio), potrebbero essere usate per alimentare dispositivi inseriti direttamente nel corpo o a stretto contatto con esso (per monitorare lo stato di salute di pazienti). Altre potenziali applicazioni, poi, vanno dalla realizzazione di etichette “intelligenti”, per tracciare confezioni di cibo, a quella di sensori ambientali.

Secondo i fondatori della Imprint Energy, in meno di un paio di anni i primi prodotti commerciali basati sulle loro batterie a zinco saranno sul mercato.

Laboratorio per analisi cliniche prêt-à-porter su fibra ottica

Dopo il progetto “lab on a chip”, volto alla realizzazione di un laboratorio di analisi cliniche compatto e portatile, è ora in via di sviluppo “lab on a fiber”, che si propone di essere ancora più piccolo, economico, resistente e – soprattutto – impiegabile come sonda direttamente all’interno del corpo umano.

[Illustrazione: James Archer/anatomyblue, tramite IEEE]

[Illustrazione: James Archer/anatomyblue, tramite IEEE]

E’ incontestabile che l’esame clinico ideale (e sognato) sarebbe rapido, preciso, non invasivo ed economico. Svolgere analisi cliniche in maniera accurata e celere è la chiave per ottenere una diagnosi rapida della malattia che affligge il paziente e, di conseguenza, intervenire tempestivamente con le cure del caso. Rendere gli esami meno invasivi, poi, consentirebbe di effettuarli in maniera regolare e senza traumi o sgradevoli conseguenze per coloro che vi si sottopongono. Infine, se l’attrezzatura e i materiali necessari sono poco costosi, chiunque può permettersi di effettuare le analisi necessarie.

In alcuni luoghi disagiati, in cui non esiste un sistema sanitario al livello di quello dei paesi ricchi, con ospedali equipaggiati e medicinali a disposizione, a tutte le qualità auspicate già elencate si aggiunge anche la compattezza. Spesso, infatti, tutto il necessario per effettuare diagnosi e cura deve essere inviato da altri paesi e lo si deve poter impiegare in assenza di strutture specializzate.

Vari gruppi di ricerca si sono dedicati allo sviluppo di sistemi compatti e di semplice uso per la diagnosi. Particolarmente successo ha riscosso il progetto “lab on a chip”, orientato alla realizzazione di un laboratorio di analisi “portatile”. Il kit si compone di un sistema meccanico-chimico che svolge le analisi e un circuito integrato che raccoglie i segnali – ossia i risultati – e li analizza.

Supponiamo di voler effettuare analisi del sangue. Grazie a micro-pompe e valvole, piccole quantità del liquido da esaminare scorreranno in microcanali, fino a raggiungere delle molecole target (bersaglio). Queste reagiscono con il sangue e il cambiamento prodotto genera una variazione in alcuni livelli di corrente o tensione. Tali segnali sono raccolti dal circuito integrato, che li amplifica, li analizza e invia il responso dell’esame ad uno schermo dove vengono visualizzati. Il tutto in tempi molto rapidi, dell’ordine dei 20 minuti.

Un ulteriore passo avanti è stato compiuto al fine di realizzare un micro-laboratorio portatile che potesse essere addirittura utilizzato all’interno del corpo o in altre circostanze particolari.

Il suddetto “lab on a chip”, infatti, non può essere utilizzato in ambienti umidi, come all’aperto o dentro il corpo umano, perché si deteriorebbe. Inoltre i circuiti contengono dei materiali tossici per l’uomo. Le dimensioni, poi, per quanto ridotte, non sono tali da permettere l’introduzione del dispositivo nei vasi sanguigni o nelle cellule.

Lab on a fiber

La nuova frontiera dell’integrazione degli esami clinici è il lab on a fiber, vale a dire un laboratorio chimico-biologico collocato su fibra di vetro, ossia la fibra ottica.

Quest’ultima è ben nota per essere una eccellente trasmettitrice di luce su grandi distanze: ciò consente di collocare la centralina che analizza i dati lontano da dove essi sono prodotti. Nel nostro caso, dunque, non sarebbe necessario integrare il circuito con la parte meccanica dell’apparato, ossia in cui avvengono le interazioni fisiche e chimiche con i liquidi o i tessuti da analizzare.

Una volta individuata la maniera di inviare i dati a distanza, occorreva decidere dove collocare le molecole target, destinate a reagire con le sostanze organiche sottoposte ad esame. Gruppi distinti di ricercatori stanno indagando varie soluzioni. Una di esse prevede che le sostanze reagenti vengano fatte aderire direttamente alle pareti della parte finale della fibra ottica.

Fibra ottica come sonda chimico-biologica

La fibra è fondamentalmente composta da due strutture cilindriche poste l’una nell’altra: un nucleo interno e un rivestimento esterno, protetti da una guaina polimerica. La luce si propaga nella fibra anche a grandi distanze, rimbalzando fra il nucleo e il rivestimento. Quando arriva in fondo, uno specchio posto all’estremità fa sì che essa torni indietro.

Lab on fiber; 1 Nucleo della fibra; 2 Griglia di rifrazione; 3 Molecole reagenti; 4 Specchio posto all'estremità della fibra per riflettere indietro la luce; 5 Confrontando il fascio di luce raccolto con quello inviato si ricostruisce il responso dell'analisi. [Immagine: James Archer/anatomyblue, tramite IEEE ]

Lab on fiber; 1 Nucleo della fibra; 2 Griglia di rifrazione; 3 Molecole reagenti; 4 Specchio posto all’estremità della fibra per riflettere indietro la luce; 5 Confrontando il fascio di luce raccolto con quello inviato si ricostruisce il responso dell’analisi. [Immagine: James Archer/anatomyblue, tramite IEEE ]

Per trasformare la semplice fibra in una sonda chimico-biologico, nei pressi dell’estremità vengono depositate molecole reagenti, le quali si saldano alla superficie. Ciò che ne consegue è che in tale area la fibra presenterà proprietà di riflessione e assorbimento della luce distinte (per essere più precisi, l’indice di rifrazione del materiale cambia). Essendo nota la composizione dei reagenti deposti, si conosce anche la maniera in cui tali proprietà cambiano. Nel momento in cui la cima della fibra viene messa in contatto con le sostanze biologiche da analizzare, una serie di reazioni chimiche modificano ancora una volta la composizione della superficie della sonda e, di conseguenza, le sue proprietà di riflessione della luce.

A questo punto per poter “leggere” tali variazioni, che sono l’impronta delle molecole presenti sulla superficie della sonda, e quindi contengono l’informazione di interesse (il responso dell’analisi clinica), è necessario colpire precisamente tale area della fibra con radiazioni luminose di lunghezze d’onda note.

A tal fine, si modifica la struttura del nucleo della fibra per generare al suo interno una griglia di rifrazione della luce, ossia una sorta di rete di piccoli specchi inclinati, i quali riflettono solo una parte delle radiazioni luminose (dette “risonanti”) in direzione della parete esterna della fibra, dove sono depositate le sostanze reagenti.

Tutti i fasci di luce sono riflessi verso l’origine, ossia in direzione dell’estremo iniziale della fibra, dal quale è stata inviata la radiazione luminosa. Qui la luce raccolta viene analizzata con uno spettrometro, che distingue le varie lunghezze d’onda, e confrontata con il fascio inviato inizialmente. Da questo confronto si risale alla concentrazione di varie molecole sulla superficie della fibra e si ricostruisce il responso dell’analisi.

Le possibili applicazioni di una simile sonda sono varie e straordinarie: a partire da semplici analisi del sangue di routine, al rilevamento di piccole variazioni nei componenti del DNA. La possibilità di effettuare un accurato esame genetico potrebbe portare a diagnosticare per tempo fibrosi cistica, tumori e alcune infezioni.

Lab on fiber utilizzato per osservare la crescita di cellule vive di pelle: fotografia effettuata con microscopio a fluorescenza. [Fotografia: Yanina Shevchenko and Gulden Camci-Unal/Harvard University]

Lab on fiber utilizzato per osservare la crescita di cellule vive di pelle: fotografia effettuata con microscopio a fluorescenza. [Fotografia: Yanina Shevchenko and Gulden Camci-Unal/Harvard University]

Monitorare cellule viventi

Questo micro-laboratorio di analisi su fibra può essere utilizzato anche per monitorare cellule viventi e l’ambizioso obiettivo che vari ricercatori stanno cercando di raggiungere è quello di sviluppare piccoli sistemi di analisi di questo tipo, che possano essere inseriti direttamente nel corpo umano, in modo da osservare i cambiamenti biologici nel momento stesso in cui avvengono.

Le piccole dimensioni, la compattezza del sistema e i costi ridotti permetteranno di impiegare il lab on a fiber in situazioni difficili, come nei paesi in via di sviluppo e in zone di guerra.

Kit per farsi da soli alcune analisi potrebbero addirittura essere venduti in farmacia.

Per arrivare a ciò però restano ancora alcune questioni da risolvere, prima fra tutte trovare il modo di rendere queste sonde conservabili per mesi, senza che la sostanza depositata sulla superficie della fibra si alteri. Gli ostacoli tecnologici più complessi, però, appaiono già superati.