Immagina di possedere la tua tuta da Spiderman, completa di guanti e stivali per arrampicarti sui muri.
Tutto ciò potrebbe essere presto realizzabile grazie a Nicola Pugno, ingegnere e fisico del Politecnico di Torino (Nicola Pugno).
“L’idea, in fondo, è semplice e nasce da applicazioni bio-ispirate di scienza delle costruzioni alla nanoscala. Gechi e ragni hanno in comune una portentosa capacità di aderire a muri e a soffitti, come già aveva notato Aristotele. E’ una capacità sorprendente per tre motivi: l’estrema resistenza adesiva, il controllo dell’adesione nella fase di distacco, l’autopulizia delle zampette. Ma lo è ancora di più, se si pensa che questi meccanismi in ragni e gechi coesistono perfettamente, pur essendo in competizione.
La forza di adesione
La zampetta di un ragno o di un geco è composta da tanti peli principali, da cui si diramano «peletti» secondari, che rappresentano il contatto ultimo con la superficie. La forza di adesione di ciascuno è proporzionale al loro raggio e la conseguenza è significativa: se dividiamo un pelo in 100 peletti, la forza totale di adesione è maggiorata di un fattore 10. E’ così ho calcolato che un geco abbia circa un miliardo di nano-contatti in presa, contro il milione di un ragno.
Un ragno (della specie Evarcha arcuata) possiede un coefficiente di sicurezza, definito come il rapporto tra la forza adesiva e quella peso, che è teoricamente pari a 173. Il numero è alto, ma è più una conseguenza della dimensione minuscola del ragno che della sua forza. Infatti la forza adesiva è proporzionale alla superficie a contatto, mentre la forza peso è proporzionale al volume dell’animale, cosicché il coefficiente di sicurezza risulta proporzionale al rapporto tra superficie e volume, ovvero all’inverso della dimensione dell’animale. E’ un fenomeno che rientra negli «effetti di scala», su cui la scuola di Scienza delle Costruzioni del Politecnico di Torino è diventata leader grazie anche all’opera del professor Alberto Carpinteri. Dunque, un uomo-ragno, definito come un uomo con le capacità adesive di un ragno, non sarebbe un supereroe, ma potrebbe almeno essere un «eroe».
I gechi (della specie Gecko gecko) hanno una resistenza adesiva che è circa tre volte quella dei ragni e posseggono un coefficiente di sicurezza teorico di 102, malgrado la massa sia di gran lunga superiore a quella di un ragno. L’adesione è in primo luogo una conseguenza delle forze di van der Waals (vale a dire l’interazione elettrostatica tra molecole complessivamente neutre e dovuta a fluttuazioni nella distribuzione delle cariche) e in secondo luogo delle forze capillari. Ho calcolato, quindi, che una tuta da uomo-geco potrebbe permettere a un uomo di «camminare» su un soffitto e potrebbe avere applicazioni nel vuoto, per rimanere attaccati a una navicella.
Ma come fanno ragni e gechi a controllare l’adesione? Due ipotesi sembrano plausibili. Una strategia «in vivo» per ridurre la forza necessaria al distacco potrebbe essere quella di rilasciare un nano-contatto alla volta. Altra possibilità è la seguente: immaginate un nastro adesivo sul bordo di un tavolo. La forza necessaria per scollarlo risulta dipendente dall’angolo secondo cui il nastro viene tirato. Un «trucco» simile potrebbe essere usato per far funzionare la tuta da uomo-geco, con guanti e calzari che diventano super-adesivi grazie a nano-architetture bio-ispirate, realizzabili con nanotubi al carbonio ramificati.
Terzo problema è l’autopulizia. Dopo aver camminato sulla sabbia, un geco non rimane impiastricciato. Anche questa peculiarità potrebbe essere ricostruita, ottimizzando la nano-architettura del pelo per rendere la superficie super-idrofobica (effetto loto). Le formule sono già disponibili e potrebbero avere applicazioni anche in contesti differenti, dai vetri autopulenti ai tessuti super-impermeabili.
Sopportare il peso
E la ragnatela? Presi singolarmente, i nanotubi risultano invisibili, dato il loro diametro, che è minore (per esempio 50 nanometri) della lunghezza d’onda della luce visibile (400-600 nanometri). Se distanziati in un cavo macroscopico di una quantità maggiore di questa lunghezza d’onda (5 micrometri), questi non interagirebbero e il cavo risulterebbe ancora invisibile. Il cavo invisibile di un centimetro di diametro e composto da una griglia di nanotubi di carbonio avrebbe una leggerezza estrema (un centesimo di grammo al chilometro) e sarebbe teoricamente in grado di sopportare il peso di un uomo.
Quindi, nell’attesa di Geckoman 1, uno Spiderman non è poi così fantascientifico.
