Superfici pelose mediante trafilatura a freddo che portano a densi prati di peli ad alto rapporto d'aspetto

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9952 (2022) Citare questo articolo

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Le superfici di molti organismi sono ricoperte di peli, essenziali per la loro sopravvivenza in un ambiente complesso. La generazione di superfici pelose artificiali da materiali polimerici si è rivelata impegnativa in quanto richiede la generazione di strutture con rapporti d'aspetto (AR) molto elevati. Riportiamo una tecnica per la fabbricazione di superfici ricoperte da strati densi di peli polimerici su scala nanometrica ad altissimo AR. A questo scopo, modelli aventi pori con diametri di diverse centinaia di nanometri vengono riempiti con un polimero fuso mediante azione capillare. Il polimero viene quindi lasciato raffreddare e la sagoma viene rimossa meccanicamente. A seconda delle condizioni impiegate, le strutture formate possono essere una semplice replica del poro, oppure il polimero viene deformato molto fortemente mediante trafilatura a freddo per produrre peli lunghi, con densità di peli significativamente fino a 6,6 × 108 peli/cm2 ad AR di molto superiore a 200. Il meccanismo di formazione dei peli è attribuito a un delicato equilibrio tra le forze di adesione del polimero nel poro e la forza di snervamento che agisce su di esso durante la sformatura meccanica. Dimostriamo come con uno sforzo minimo e nell'arco di pochi secondi si possono ottenere topografie uniche, che possono adattare notevolmente le proprietà bagnanti dei comuni polimeri.

Le superfici di molti animali (e in alcuni casi anche di piante) sono almeno parzialmente ricoperte da densi strati di peli1,2. I peli possono avere molti scopi: possono proteggere dall'impatto dei raggi UV o infrarossi3 oppure possono proteggere dal contatto diretto del corpo con l'acqua durante l'esposizione alla pioggia4,5 o durante il nuoto6,7. I peli possono anche avere una funzione di termoregolazione per stabilizzare la temperatura corporea2. Per fare ciò, agiscono come uno strato isolante6, che riduce l’assorbimento o la perdita di calore, poiché intrappolano quantità significative di aria. In alternativa, assorbendo e distribuendo il sudore su una superficie più ampia, i peli possono aumentare la velocità di evaporazione dell'acqua e quindi raffreddare il corpo che coprono. In alcuni casi svolgono anche un ruolo nelle interazioni sociali contribuendo alla distribuzione degli odori, come i feromoni1.

I peli biologici sono essenzialmente materiali ad alto rapporto d'aspetto, a base di cheratina1, saldamente ancorati alla superficie della pelle che ricoprono. Formano un fitto "prato" in cui la distanza tra i capelli è significativamente inferiore alla lunghezza di un singolo capello8. Un rapporto d'aspetto AR > 100 è caratteristico per le superfici naturali delle piante pelose, come ad esempio le foglie dell'alchemilla9,10. Per i capelli umani si possono osservare proporzioni anche superiori a 1000.

In campo tecnologico, strutture ad alto AR possono essere scritte in materiali piuttosto rigidi, principalmente silicio, attraverso litografia a foto, raggi X o fascio di elettroni seguita da processi di attacco altamente specifici8,11,12. Un esempio di sistema in cui sono state generate strutture AR molto elevate per un'applicazione interessante, è il lavoro di Chang e Sakdinawat13. Impiegano la litografia a fascio di elettroni e una tecnica di incisione chimica assistita da metalli per la fabbricazione di nanocaratteristiche ad altissimo AR (> 120) e ad alta risoluzione, che possono essere utilizzate per generare un'ottica di imaging per raggi X duri. Tuttavia, in contrasto con il gran numero di pubblicazioni sulle superfici di silicio micro e nanostrutturate ad alto AR, molto meno è stato riportato quando si considerano i materiali polimerici14,15. I metodi chiave per la generazione di micro e nanostrutture polimeriche sono la fotolitografia e la microreplicazione; quest'ultimo approccio è particolarmente preferito quando si desidera la fabbricazione di aree strutturate su larga scala12,16.

I nano o microcapelli polimerici possono essere generati utilizzando tecniche di stampaggio di repliche in cui vengono impiegati modelli porosi10,17,18. Diversi esempi, infatti, hanno utilizzato maestri di superficie naturali, come foglie pelose10,19 o veri e propri insetti17 per ottenere stampi negativi, che a loro volta hanno portato a morfologie di repliche polimeriche identiche. La riproduzione di superfici pelose naturali con AR molto elevato (> 100) rimane, tuttavia, una sfida poiché soprattutto la sformatura di strutture AR così elevate dal modello è piuttosto difficile. Recentemente, utilizzando una sagoma dentale bovina naturale, Tiller e colleghi hanno generato con successo filamenti di resina acrilica ultralunghi che possiedono un AR fino al 2009. La polimerizzazione assistita da sagoma ha prodotto superfici che imitano la topografia di una foglia di cotoneaster di Corokia. Tuttavia, poiché i modelli naturali sono in genere di dimensioni piuttosto piccole e vengono dissolti o rimossi in tali approcci, la dimensione del campione ottenuta attraverso tali percorsi è intrinsecamente limitata e i substrati su larga scala non possono essere modificati.