Lotus effect: la natura insegna

Provate a farci caso: buona parte della pubblicità nei mezzi di informazione riguarda prodotti per la pulizia di pavimenti, mobili, finestre, lavelli delle nostre case: quanta fatica risparmiata, se tutte queste superfici non si sporcassero così facilmente o se, addirittura, si pulissero da sé! Come molto spesso accade, la natura ha pensato prima di noi all’opportunità di progettare superfici autopulenti ed idrorepellenti: ad esempio, ha concepito le foglie del loto, che rimangono ben pulite anche dopo essere state sporcate da quello stesso fango in cui la pianta cresce.
Il Loto o Nelumbo nucifera è un genere di pianta acquatica: comprende due sole specie, originarie di America, Asia e Australia, con foglie molto decorative e grandi fiori di colore bianco, rosa, giallo e rosso, note col nome di fiore di loto. Raggiunge altezze elevate che vanno dagli 80 centimetri fino ad un metro d’altezza. Sono grandi fino ai 60 centimetri, tondeggianti, così come è grande il fiore tipico di questa specie, che sprigiona un profumo dolce e intenso, simile a quello dell’anice. Le foglie si presentano verde intenso, cerose, ed hanno una particolarità che protegge la loro superficie: sono estremamente idrofobiche, quindi non permettono all’acqua stagnante nella quale vivono, di intaccarle, mantenendosi lucide e pulite.
La pianta di Loto è simbolo di speranza, salvezza e rinascita: si dice che dal suo bocciolo nacque Ra e che il Loto, uscito dalle acque primordiali, fosse la culla in cui il sole nasceva ogni mattina. Il Fior di Loto è da sempre ritenuta una pianta speciale: per gli antichi Egizi il Loto simboleggiava la rinascita e la resurrezione; per gli Orientali il Loto è espressione della perfezione e della purezza del sole, del cielo, della creazione, del passato, del presente e del futuro, ovvero, in una parola sola della vita stessa e di tutte le virtù ad essa, direttamente o indirettamente, riferibili. Per questo, era ed è considerato un fiore sacro, il fiore degli Dei. Secondo la tradizione Induista, è il simbolo della prima manifestazione dell’essere supremo, la porta del grembo dell’universo. Ogni varietà di Loto simboleggia nel Buddismo uno stato spirituale: il Loto bianco è lo stato di purezza mentale e di perfezione spirituale; il rosso è il colore della compassione; l’azzurro è l’intelligenza suprema.
Le foglie del loto si distinguono per la loro non-bagnabilità. Dopo ogni pioggia si ripresentano subito pulite ed asciutte. Le gocce d’acqua rotolano sulla foglia come biglie su una lastra di vetro. Il cosiddetto Lotus Effect è, quindi, una vera e propria invenzione della natura perfezionata nel corso di milioni di anni. Nel 1982, il botanico tedesco Willhelm Barthlott dell’Università di Bonn ha scoperto perché: la superficie delle foglie del loto è caratterizzata da una tessitura di microscopiche protuberanze dell’altezza di alcuni micron, per cui le gocce entrano in contatto solo con la sommità di queste microasperità e non bagnano le foglie. Questa configurazione facilita lo scorrimento delle gocce, e consente anche una più facile rimozione delle particelle di sporcizia che si depositano su di esse.
Attraverso il microscopio elettronico a scansione, gli scienziati hanno potuto osservare la struttura della foglia di loto. In termini nanometrici, sul lato esterno della foglia si trovano piccole particelle globulari: si tratta di protrusioni la cui superficie è ricoperta da una sostanza idrofoba, che amplifica l’idrorepellenza della foglia. I cristalli di materiale ceroso vanno infatti a formare uno strato idrorepellente su una superficie che è già irregolare. Il materiale ceroso è difficilmente bagnabile dall’acqua e tende, quindi, a minimizzare l’angolo di contatto con essa; ciò porta alla formazione di gocce sferiche che, con poca energia, possono scorrere sulla superficie della foglia, rimuovendo particelle di sporco che incontrano sul loro cammino. Su questi minuscoli rilievi molecolari la goccia d’acqua scivola portando via con sé anche lo sporco.

Le nanotecnologie che riproducono le nanostrutture naturali
In pratica, i materiali nanostrutturati si possono considerare come derivati da strutture che la natura ha già pensato a collocare in organismi viventi, al fine di ottenere performance particolari. L’effetto loto, infatti, è stato replicato a poco a poco sulla vernice per esterni, per esempio, su cui l’acqua piovana esercita una funzione pulente, oppure sulle piastrelle dei bagni che si mantengono pulite facilmente, oppure sulle tende da sole per esterno e i tessuti per la realizzazione di tende da campeggio e tendoni, in modo da rendere le superfici autopulenti durante le precipitazioni o grazie alla condensazione. Da questo modello, tramite le nanotecnologie, nascono la ceramica autopulente, le lenti degli occhiali antigraffio e speciali smalti per vernici particolarmente dure, resistenti ai graffi e che non attirano lo sporco. Sono state, inoltre, migliorate le caratteristiche idrofobiche e impermeabili del vetro, per ottenere un effetto autopulente (vedi il marchio tedesco signapur). Questi i vantaggi: costi di pulitura ridotti; vetro protetto da influssi ambientali nocivi; non invecchia più; acqua e sporco scivolano via rapidamente; effetto preventivo che impedisce la penetrazione dei depositi di calcare e di prodotti chimici; aspetto più lucente e permette di riflettere una maggiore quantità di luce.
Una pellicola trasparente che avesse proprio queste caratteristiche, applicata sui vestiti, potrebbe dunque tenerli al riparo dalle macchie. La statunitense Nano-Tex è stata la prima azienda al mondo ad applicare le nanotecnologie alle fibre tessili e ad avviare una produzione e una commercializzazione su larga scala. Nano-Tex è stata fondata nel 1998 da David Soane, ex direttore del dipartimento di ingegneria chimica all’Università di Berkeley ma già l’anno successivo il 51% dell’azienda è stato rilevato dal gigante del tessile Burlington Industries. Fin dai suoi esordi, l’azienda si è concentrata sull’applicazione delle nanotecnologie alle fibre naturali, come il cotone, la lana e la seta, ma anche su alcune fibre sintetiche come il poliestere e il nylon.
Tra i prodotti della Nano-Tex, c’è Nano-Care: una tecnologia che conferisce alle fibre naturali (cotone soprattutto) resistenza al restringimento e alle pieghe, nonché caratteristiche di idrorepellenza e resistenza alle macchie, basandosi sul lotus effect. Il tutto è garantito per oltre 50 lavaggi casalinghi. In Italia, la prima azienda ad acquisire la licenza per i prodotti Nano-Tex è stata la Martelli Lavorazioni Tessili, in provincia di Bologna.
Un’applicazione che sfrutta l’effetto loto, portata avanti dal Georgia Institute of Technology, ha determinato un miglioramento del rendimento dei sistemi fotovoltaici: i ricercatori americani hanno creato una struttura autopulente e dalla speciale forma, in grado di assorbire una quantità maggiore di radiazione solare, grazie alla presenza di una superficie costantemente priva di sporco e polvere.

Milioni di anni prima che gli scienziati mettessero insieme l’effetto loto e la “superbagnabilità” per le applicazioni tecnologiche, un piccolo scarabeo del deserto del Namib in Africa (il coleottero Stenocara) era occupato ad applicare i due effetti per un altro fine: raccogliere l’acqua per la propria sopravvivenza dalla nebbia del mattino, in una zona geografica dove cadono solo 40 mm di pioggia l’anno. Ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Boston hanno copiato la struttura delle ali (elitre) di un coleottero per creare una superficie capace di comportarsi in modo differente rispetto alle molecole di acqua. Lo Stenocara trova la sua fonte d’acqua nell’umidità della nebbia mattutina e cattura le goccioline d’acqua grazie a particolari zone idrofile delle ali. Quando le goccioline diventano abbastanza grosse da essere sufficientemente pesanti, rotolano lungo l’elitra su una zona idrofoba che ne facilita il passaggio fino al raggiungimento della bocca dell’insetto. Sembra banale, ma non lo è. Per riuscire a fissare le prime micro-gocce attorno alle quali le altre si addensano fino a formare gocce vere e proprie, abbastanza pesanti da non essere portate via dal vento, le elitre devono essere “idrofile”. E per lasciarle scorrere fino alla bocca della Stenocara, devono essere “idrorepellenti”. Gli scienziati hanno cercato di ricreare una superficie con entrambe queste caratteristiche e hanno prodotto prima il rivestimento idrofobo, utilizzando una struttura porosa poliacrilica con nanoparticelle a base di idrocarburi policilcici aromatici e silice. Successivamente, hanno completato il tutto con molecole di fluorosilano idrorepellente. Questa superficie artificiale può avere applicazioni in vari campi: il rilascio controllato di farmaci, l’immagazzinamento di acqua, microlaboratori chimico-biologici su chip.

Tutte queste applicazioni sono sorprendenti. E’ senza dubbio nostro compito capire, conoscere e approfondire l’ingegno e l’evoluzione di questi sistemi naturali. Alla luce di tutto ciò, dovremmo essere dei sostenitori della biodiversità, perché molto probabilmente altre piante e animali possono avere proprietà utili, comprese le specie sconosciute alla scienza e in pericolo di estinzione.

Link per approfondire:

http://www.lotus-effekt.de/en/index.php/
http://storage.worldispnetwork.com/books/Scientific.American082008.pdf/
http://www.science24.com/paper/15564
http://www.signapur.com/index.htm
http://www.nano-tex.com/
http://www.martelli.it

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