Nanoattrito: ricercatori Sissa illustrano i risultati del loro lavoro su Nature Materials

Martedì 15 Settembre 2009

“Oggi con i nanotubi di carbonio si fa di tutto: hanno eccezionali proprietà adesive, termiche, meccaniche ed elettriche – illustra Erio Tosatti, docente del settore di Materia condensata della Sissa di Trieste –. E non è fantascienza la possibilità di produrre dei nanoadesivi sfruttando le loro stupefacenti proprietà di adesione. Dovendo comprendere, però, come un nanotubo interagisce con un altro oggetto che lo tocca in superficie, è stato necessario studiare non solo l’adesione ma anche l’attrito, la forza cioé che si oppone al loro moto relativo. Del resto le proprietà di attrito dei nanotubi sono cruciali per il loro impiego ottimale in sistemi nanotecnologici”.

Un team internazionale di fisici, tra cui Tosatti e Xiaohua Zhang della Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati di Trieste, del Centro Internazionale di Fisica Teorica e del Cnr-Infm Democritos, presenta sulla rivista Nature Materials i sorprendenti risultati di una ricerca sul nanoattrito: uno studio, condotto sia con il microscopio a forza atomica che con le simulazioni, sull’attrito cui è soggetta una punta finissima che scorre sulla superficie di un nanotubo.

Il Prof. Erio Tosatti

Tosatti e colleghi hanno scoperto che l’attrito generato dall’interazione tra le due superfici cambia a seconda della direzione in cui scorre la nanopunta: la forza di attrito è maggiore se la punta scorre trasversalmente alla superficie del nanotubo.

“Il moto trasversale della punta sulla superfice del nanotubo genera il cosiddetto “hindered rolling” e una conseguente dissipazione di energia che è assente o parzialmente tale quando la punta scorre parallelamente alla superficie del tubo – spiega Tosatti –. Il tubo cioé, a contatto con la punta che si muove perpendicolarmente alla sua superficie, oscilla a destra e sinistra come una barca nel mare di traverso, o come fa una goccia di mercurio che se stuzzicata cerca di rotolare via. Senza però riuscirvi perchè aderente al substrato. Pertanto è necessaria una forza maggiore per muovere la punta in direzione trasversale alla superfice del nanotubo: il cosiddetto hindered rolling è la causa del maggior attrito”.

“La ricerca svela dunque nuove proprietà del nanoattrito e il meccanismo di dissipazione dell’energia,” continua Tosatti, che con soddisfazione annuncia anche i risultati inattesi.

Dalla ricerca è infatti emerso inaspettatamente che l’asimmetria nell’attrito dipende anche dalla forma della superficie del nanotubo che ne rivela la sua chiralità: ovvero la disposizione a vite delle catene di atomi di carbonio sulle pareti del tubo. Proprio grazie alle simulazioni realizzate a Trieste, è emerso che si genera un attrito differente nei nanotubi se questi sono chirali oppure no. La nanopunta infatti scorrendo sul nanotubo ne “legge” la trama sottostante alla superficie, la sua chiralità segreta, così come un cieco è in grado di leggere un testo in braille, scorrendolo con le dita e cogliendone le asperità.

La scoperta non solo è importante perché incrementa la conoscenza del nanoattrito, ma può essere utile per sviluppare nuove strategie per selezionare nanotubi, le cui proprietà meccaniche ed elettriche variano se sono assemblati in un verso o nell’altro, se sono cioé chirali o no.

“La fisica dell’attrito, seppure ancora poco esplorata, è un campo di ricerca di crescente interesse – ribadisce Tosatti –. Basti pensare all’enorme frazione di consumo energetico mondiale sprecato in attrito indesiderato e a quanti fenomeni nella vita di ogni giorno dipendono dall’attrito: come suonare il violino, ballare il tango o guidare un’automobile”.

Alla frontiera dell’universo “nano” e di sistemi con dimensioni poco più grandi dell’atomo o della molecola, le forze di attrito e di adesione tra corpi microscopici in movimento sono relativamente assai più importanti che non fra oggetti macroscopici. Ridotte al minino le dimensioni degli oggetti, maggiore risulta infatti il ruolo dell’attrito e dell’adesione tra superfici diverse: se sono dominanti non è possibile compiere alcun movimento.

Nel futuro prossimo, quindi, in cui ci serviremo di nanomotori molecolari e dove il movimento potrà essere azionato e trasmesso su scale di lunghezza piccolissime come appunto quello delle nanopunte, capire perfettamente il nanoattrito sarà una necessità.

Lo studio è stato realizzato in collaborazione con il Georgia Institute of Technology (Usa) e l’Istituto di fisica dell’Università di Amburgo (Germania).

[29/11/2011]