T

rent'anni fa i polimeri si limitavanoper lo. più a svolgere funzioni par-ticolari in prodotti come fibre,

pellicole e rivestimenti, oppure servivanoper fabbricare oggetti di plastica leggeri epoco costosi. Il soddisfare le esigenze del-l'alta tecnologia era appannaggio dei ma-teriali tradizionali. Oggi alcuni polimeristanno sostituendo l'alluminio e altri me-talli strutturali in determinate applicazionidove sono sottoposti ad alte temperature ea sollecitazioni elevate; altri polimeri pos-sono infine sostituire i tradizionali mate-riali impiegati nelle comunicazioni elettro-niche e ottiche e nell'informatica. Ogninuovo impiego conferma l'elevato gradodi controllo che si può esercitare sulle pro-prietà dei materiali polimerici.

La scienza dei polimeri trae la propriaforza dall'infinita versatilità dei polimerisintetici. Non solo i materiali nel loro in-sieme, ma anche i loro costituenti fonda-mentali, le molecole dei polimeri, sono fat-ti su misura. Le molecole dei polimeri con-stano di unità molecolari più piccole, i mo-nomeri, che si ripetono centinaia o miglia-ia di volte formando una struttura a cate-na. La scelta dei monomeri e il modo in cuivengono riuniti determinano le proprietàdel prodotto nel suo insieme.

Un polimero può essere fabbricato sumisura anche in scala più ampia. Come nelcaso di un metallo o di un materiale com-posito, gli si può conferire una microstrut-tura: per esempio, una disposizione orien-tata delle molecole o uno schieramentocontrollato di zone diverse per composi-zione. Grazie a queste tecniche di lavora-zione, i polimeri possono essere ulterior-mente adattati a esigenze particolari.

I' primo livello al quale i ricercatori han-no imparato a influire sulle proprietà

dei polimeri è quello del progetto moleco-lare, che è ancora uno dei campi più frut-tuosi per esercitare questo tipo di control-lo. Quattro fattori riguardanti il progettohanno un'influenza critica sul comporta-mento fisico del materiale nel suo insieme.Uno di essi è la lunghezza media delle ca-tene, che per ciascun polimero deve supe-rare una certa soglia se si vuole che il ma-teriale possegga valori adeguati di rigiditàe di tenacità. Gli altri tre fattori sono l'in-tensità delle forze di legame fra le catenepolimeriche, la regolarità con cui le cateneriescono a unirsi e la rigidità delle singolecatene.

Forze intermolecolari della massima in-tensità si manifestano quando le catene so-no progettate in modo che fra l'una e l'al-tra si formino legami trasversali (cioè siabbia reticolazione); ciò si ottiene spessoriscaldando il polimero durante la fase fi-nale della lavorazione. Poiché la reticola-zione blocca le catene polimeriche in unreticolo tridimensionale, a questi polimerinon si può dare una nuova forma tramiteil calore. Le materie plastiche rigide di que-sto tipo si chiamano resine termoindurenti.Certe resine termoindurenti, come le resi-ne fenoliche, sono state fra i primi polimeria presentare elevata resistenza meccanicae termica. Anche le gomme, tanto sinteti-che quanto naturali, sviluppano legamitrasversali quando vengono vulcanizzate.La loro struttura reticolare permette di re-sistere a temperature elevate e a sforzi ri-petuti senza deformazioni permanenti. Percontro, molti polimeri avanzati, come laplastica usata per imballare i beni di con-

sumo, sono termoplastici, cioè rammolli-scono quando vengono riscaldati. In unmateriale termoplastico le catene polime-riche rimangono chimicamente distinte,sebbene possano interagire in vari modi.

Per esempio, forti attrazioni intermole-colari accrescono la tenacità dei materialitermoplastici e la loro resistenza ai solven-ti; gli esperti di polimeri progettano spessole catene molecolari in maniera tale da au-mentare queste forze di attrazione. Nel po-listirene puro, che consiste in una catenaprincipale di atomi di carbonio uniti dalegami covalenti e circondati da atomi diidrogeno e da un anello benzenico a seiatomi di carbonio ogni due atomi di car-bonio della catena principale, la molecolaè non polare e pertanto è priva di concen-trazioni localizzate di cariche positive enegative, che potrebbero dare origine aforze elettrostatiche fra le catene. Le cate-ne sono tenute assieme soltanto dalle de-boli attrazioni intermolecolari, note comeforze di Van der Waals. Perciò il polistire-ne risulta vulnerabile ai solventi organici erammollisce già a una temperatura di circa100 gradi Celsius.

Se più monomeri polari - monomeri conuna distribuzione delle cariche meno sim-metrica - vengono collocati lungo la cate-na polimerica, l'attrazione elettrostaticafarà aumentare le forze intermolecolari.Per esempio ai monomeri non polari dellostirene si possono inframmezzare mono-meri di acrilonitrilici che sono più polari, eciò accresce la coesione delle molecole equindi la resistenza del materiale nel suoinsieme ai solventi. La copolimerizzazionedello stirene e dell'acrilonitrile è oramaiuna prassi normale e anche molti altri po-limeri commerciali incorporano due o piùcostituenti monomerici di natura diversa.

In certi copolimeri i monomeri non so-no collocati a caso lungo la catena polime-rica come nello stirene-acrilonitrile, ma so-no raggruppati in blocchi in cui si ripetesenza interruzione un unico tipo di mono-mero. Quando i diversi polimeri che costi-tuiscono i blocchi non sono miscelabili -cioè sono insolubili l'uno nell'altro comel'olio e l'acqua - i blocchi situati su macro-

Una fibra sperimentale ad alte prestazioni rivela a luce polarizzata la struttura orientata che le dàresistenza a trazione e rigidità elevate. Il polimero da cui è stata ottenuta è un cristallo liquido: allostato liquido le molecole, simili a bastoncini rigidi, si allineano facilmente e nella fibra filata dalpolimero fuso si allineano quasi parallelamente all'asse della fibra, dando luogo alla strutturavisibile nella microfotografia. Si ritiene che la formazione di bande trasversali derivi da una perio-dica oscillazione dell'orientazione delle molecole; essa non ha luogo quando le fibre del polimerosono completamente orientate. Le fibre sperimentali sono state ottenute dalla Celanese ResearchCompany, per la quale Linda C. Sawyer, autrice di quest'immagine, ne ha analizzato la struttura.

I polimeri avanzatiProgressi nella sintesi e nuovi metodi di lavorazione, basati su recentiacquisizioni riguardanti il rapporto tra struttura e proprietà dei polimeri,hanno permesso di ottenere prodotti con caratteristiche senza precedenti

di Eric Baer

151

POLIMERO MONOMEROTEMPERATURA

DI FUSIONE

TEMPERATURADI TRANSIZIONE

VETROSA

CLORURO DI VINILE-CH2-CH-

O I— 82

POLISTIRENE ATATTICO—CH,—CH-

ò — 100

POLI(METACRILATO DI METILE)ATATTICO

CH,

-CH, -C-

o„.›C -0-CH3

— 105

POLI(OSSIDO DI 2,2'-DIMETIL-FENILENE) (PPO)

CH,-O O

CH3— 135

POLIETILENE LINEARE —CH,—CH,— 138 — 110

POLIPROPILENE ISOTATTICOCH,

I-CH,-CH-

165 —10

POLIOSSIMETILENE - CH, - O- 180 -85

POLI (TEREFTALATO DI1,4-BUTANDIOLO)

O OIl Il

-0-CH2-CH2-CH2- CH 2 -O- C O C - 240 17

POLI(ADIPAMMIDE DI ESAMETILENE)H HO O

I I II Il-N-CH 2 -CH 2 -CH 2 -C1-1 2 -CH 2 -CH 2-N-C-CH 2 -CH 2 -CH2-CH2-C -

265 50

POLI(TEREFTALATO DI ETILENE)O OIl Il

-0-CH 2 -CH2-0-C C) C-265 70

POLITETRAFLUOROETILENE

F FI I-C-C-

I IF F

327 -150

POLI(CARBONATO DI 4,4.-ISO-PROPILIDENDIFENILENE)

CH,

-O C> O C) O-C-OH, 8

_ 149

POLIETERSOLFONE

CH,C) Ò —0— O C) O

b-13

— 190

POLIARILATO

CH, O OI Il Il

—0-©-C O O-C O C-61,

190

POLI(SOLFURO DI FENILENE) C> S- 285 185

POLIAMMIDE-IMMIDE

OH a-.„.

I C

N-

8 8

— OLTRE 290

POLIETERETERCHETONEO

- O O ,....,

52,334 143

COPOLIESTERE AROMATICO DEGLIACIDI 6,2-OSSINAFTOICOE 1,4-OSSIBENZOICO

9 O,,,.,.,„. Il-0-0-C-0 C>%9 C - MOLTO VARIABILI

POLI(PARAFENILEN-BENZOBISIMIDAZOLO) (PBI)

...,-...- N N.zz...,-C

''N NCI I

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7 OLTRE 400

POLI(PARAFENILEN-BENZOBISISOSSAZOLO) (PBO)

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OLTRE 400

POLI(PARAFENILEN-BENZOBISTIAZOLO) (PBT) -CC(NCN S

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POLIIMMIDE

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/ MOLECOLA DI LEGAME 2

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La deformazione del polipropilene ne trasforma la microstruttura. La microfotografia a lucepolarizzata (in alto) mostra le sferuliti impaccate in un campione di polimero non deformato. Dopoche il materiale è stato compresso in una dimensione e simultaneamente espanso di circa due voltee mezzo nelle altre due, le sferuliti appaiono come dischi (in basso). L'analisi ai raggi X ha rivelatoche le lamelle che le costituivano avevano ruotato nel piano del foglio risolvendosi in blocchicristallini connessi da un intreccio di molecole amorfe. Si ritiene che la resistenza e la rigidità moltomaggiori di una lamina deformata rispetto a una lamina dello stesso spessore ottenuta da unpolimero non deformato siano dovute alla struttura piana dei blocchi e alle molecole di legame,orientate lungo gli assi di allungamento. La ricerca è stata effettuata nel laboratorio dell'autore, ilCase Center for Applied Polymer Research, in collaborazione con la Bethiehem Steel Corporation.

MICROFIBRILLA

L'allineamento delle catene polimeriche accresce la resistenza a trazione di una fibra ottenuta daun polimero semicristallino. Durante lo stiramento iniziale le lamelle del polimero si rompono inblocchi più piccoli di catene ripiegate che si allineano formando numerose microfibrille distinte(/ ). I blocchi sono collegati da molecole di legame estese che rinforzano le microfibrille. Stirandoulteriormente il polimero essi si svolgono parzialmente causando il rimescolamento delle microfi-brille (2). Il numero maggiore di molecole che si estendono ora lungo l'asse della fibra rinforzaulteriormente quest'ultima. In una morfologia ideale, tutte le catene giacerebbero lungo l'asse dellafibra (3) e questa beneficierebbe della grande resistenza longitudinale delle molecole polimeriche.

154

no uniti da un singolo legame covalente.Come avviene con i giunti dei carri ferro-viari, questo singolo legame permette larotazione intorno a un punto fisso e così lacatena può piegarsi, avvolgersi e attorci-gliarsi. Recentemente gli esperti dei poli-meri hanno introdotto progetti molecolariin cui le catene sono intrinsecamente piùrigide e diritte. Sono i gruppi aromatici in-corporati nella catena a favorire l'irrigidi-mento. Essi contengono doppi legami, cheresistono alla piegatura e. per un fenome-no noto come risonanza, conferiscono uncarattere di doppio legame anche ai legamisingoli adiacenti della catena principale.Quando nella catena polimerica si inseri-sce un numero sufficiente di gruppi aroma-tici, il polimero tende a somigliare a unbastoncino, o barretta, rigido.

Il progetto di una catena polimericaaromatica fornisce un duplice vantaggio.La rigidità delle singole molecole irrigidi-sce il polimero nel suo insieme e, dato chele singole molecole assomigliano a baston-cini, in certe condizioni esse possono alli-nearsi. In particolare, certi polimeri in for-ma di bastoncini rigidi sono cristalli liqui-di: in soluzione o allo stato fuso le loromacromolecole possono allinearsi sponta-neamente, come i tronchi d'albero fattiscendere lungo il corso di un fiume; esseformano così regioni in cui la maggior par-te delle molecole sono orientate secondouna o magari due direzioni. L'ampiezza diqueste regioni ordinate e simili a cristallipuò aumentare in certe condizioni di flus-so, come nel passaggio attraverso una fi-liera. Perciò è facile «filare» un cristalloliquido in fibre nelle quali molte catene po-limeriche sono orientate secondo l'assedella fibra.

Quando una fibra siffatta è sottopostaa trazione i legami sotto sforzo non sonoquelli deboli dell'attrazione intermolecola-re, bensì i legami covalenti carbonio-car-bonio, gli stessi ai quali si deve la durezzadel diamante. Le fibre arammidiche, fibrecommerciali filate da una fase liquido-cri-stallina, hanno resistenza a trazione para-gonabile a quella dell'acciaio. Anche nellafase solida questi polimeri liquido-cristalli-ni traggono vantaggio dall'allineamentodelle catene. Le regioni orientate formatesinella fase liquida fungono ora da elementidi rinforzo, accrescendo molto la rigiditàdel materiale. Questi polimeri hanno unatemperatura di rammollimento piuttostoelevata e una grande resistenza alla mag-gior parte dei solventi.

Anche certi polimeri sperimentali diprogettazione molto diversa presentano ilcarattere di cristalli liquidi. In essi la cate-na principale è flessibile, ma presenta lun-ghe catene laterali contenenti gruppi aro-matici. Le catene laterali si comportanocome bastoncini rigidi e si intercalano fraloro formando regioni orientate, mentre lecatene principali con la loro flessibilità rie-scono a connettere i vari bastoncini.

Variando le caratteristiche delle catenepolimeriche si può fare in modo che

esse formino una microstruttura amorfa

oppure semicristallina, uniforme oppureinterrotta da regioni di composizione o diorientazione molecolare diversa. Tuttavia,gli esperti di polimeri non si accontentanodi progettare molecole che si riunisconospontaneamente in una microstruttura va-lida. In molte ricerche volte a ottenere unpolimero migliore, la molecola sintetizzataè soltanto un punto di partenza. Essa vienepoi sottoposta a un trattamento che ne tra-sforma struttura e proprietà.

Un tipo di trattamento diventato ora-mai d'uso comune è la miscelazione, unmetodo che fu applicato all'inizio ai poli-meri amorfi, come il polistirene, il clorurodi polivinile e il poli(metacrilato di metile),una resina acrilica. Non essendo cristalli-ni, questi polimeri non hanno un punto difusione. Tuttavia, oltre una certa tempera-tura critica, detta temperatura di transizio-ne vetrosa, essi rammoliscono diventandogommosi. I polimeri amorfi sono utili soloalle basse temperature, alle quali la lorostruttura molecolare è congelata e l'aspet-to è vetroso. Al disotto della temperaturadi transizione i polimeri amorfi sono quasitutti fragili, sebbene vi siano eccezioni ri-levanti, come il policarbonato, un materia-le tenace usato per elmetti di protezione.

Per aumentare la tenacità di un mate-riale plastico amorfo e fragile, si può com-binare questo materiale con un altro poli-mero, di solito un elastomero. La maggiorparte delle combinazioni contiene polimerinon miscibili e così il materiale risultante ècomposto da una matrice di uno dei poli-meri nella quale sono immerse piccolissi-me particelle dell'altro. La miscelazione eil raffreddamento sotto controllo permet-tono di ottenere particelle aventi concen-trazione e ambito di dimensioni ottimali.In una materia plastica vetrosa, combina-ta con una porzione relativamente piccoladi un elastomero, le particelle dell'elasto-mero rinforzano il materiale, mettendoloin grado di assorbire l'energia in modo piùefficace quando viene fratturato. In questomodo la sua resistenza alla propagazione

Il sinergismo delle proprietà in una lamina co-stituita da strati alternati di due diversi polimeriè suggerito dai modo in cui la lamina rispondea una frattura (zona scura che parte dall'altodell'immagine). Gli strati hanno uno spessoredi 10 micrometri; quelli più scuri sono costituitidal copolimero stirene-acrilonitrile, un materia-le rigido ma relativamente fragile, quelli piùchiari sono di policarbonato, un materiale te-nace e duttile. Gli strati fragili si fessurano fa-cilmente, cioè formano piccolissime criccheche permettono alla frattura di propagarsi, male regioni duttili formano bande di scorrimento,cioè regioni di deformazione duttile che in que-sta microfotografia a luce polarizzata appaio-no in colore. La formazione delle bande di scor-rimento assorbe energia, smussando l'apicedella cricca e alla fine bloccandola. In questomodo la lamina è resa tenace dagli strati dipolicarbonato. mentre gli strati del copolimerostirene-acrilonitrile la rendono rigida. La lami-na è stata prodotta della Dow Chemical Com-pany, che ha collaborato con il laboratorio del-l'autore per la realizzazione di quest'immagine.

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Il polimero liquido-cristallino noto come Vectra, prodotto dalla CelaneseCorporation, assume spontaneamente una morfologia intricata quandoe iniettato in uno stampo. Dopo solidificazione il campione viene spez-zato e la microfotografia a scansione elettronica (a sinistra) mette in lucedue caratteristiche: un rivestimento stratificato costituito da fibre e pia-strine, allineate secondo un'unica direzione, e un nucleo con una strutturameno ordinata. Il rivestimento si forma quando il polimero fuso cola

lungo le pareti dello stampo, facendo orientare le molecole a bastoncino(tipiche di un polimero liquido-cristallino) secondo la direzione del flusso.L'orientazione delle molecole è suggerita dalla microfotografia elettroni-ca a scansione che mostra una superficie di frattura del rivestimento (a

destra) e rivela una venatura molto simile a quella del legno. Il polimeroottenuto per stampaggio a iniezione e estremamente rigido lungo l'assedi orientazione delle molecole proprio come il legno lungo la venatura.

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acquose; esse trovano applicazione in in-dumenti impermeabili che «lasciano respi-rare», in dispositivi per l'ossigenazione delsangue e in sistemi per la somministrazio-ne di farmaci.

La maggior parte delle membrane poli-meriche è non porosa ed è la dinamica mo-lecolare a controllarne la permeabilità. Lastruttura elettronica del polimero può fa-vorire il passaggio di particolari ioni, ren-dendo il polimero utile nell'elettrodialisi,che è l'impiego di un campo elettrico perguidare gli ioni attraverso una membrana.Altre membrane ancora sono permeabilisoltanto all'acqua o sono selettivamentepermeabili a certi gas. Nelle applicazionipreviste - dissalazione dell'acqua di mareper osmosi inversa oppure separazionedell'ossigeno dall'aria - esse devono spessoresistere a un flusso ad alta pressione diliquidi o di gas. Allo stesso tempo la mem-brana deve essere abbastanza sottile peressere adeguatamente permeabile. Le èperciò necessario un supporto meccanicoe questa esigenza si può soddisfare costru-endo una membrana fatta da un sottilestrato ininterrotto di polimero rinforzatoda una sottostruttura porosa più spessa. Asua volta la sottostruttura è spesso soste-nuta da uno strato di tessuto sintetico.

Molti progressi compiuti nella sintesi enella lavorazione dei polimeri tendo-

no ad aumentarne le prestazioni sotto sol-lecitazioni meccaniche e in vari ambientichimici e termici. Gli esperti di polimericercano ora di produrre materiali adatti aun altro tipo di applicazione, un'applica-zione che sfrutti il carattere elettrico delle

macromolecole. I polimeri per tradizionesono stati utilizzati in elettronica come iso-lanti o come materiali per incapsulamento,compiti ai quali, data la natura dielettricadella maggior parte dei polimeri, sono par-ticolarmente adatti. In epoca più recentehanno assunto nuovi ruoli, in particolarecome materiali protettivi sui quali durantela costruzione dei chip si stampano le con-figurazioni di microcircuiti con fasci lumi-nosi o elettronici (photoresist o resist perfasci elettronici). Ora sembra che certi po-limeri, opportunamente modificati, possa-no avere una parte attiva legata al traspor-to della corrente nei sistemi elettronici.

La conducibilità elettrica di un materia-le riflette la sua struttura elettronica. Glielettroni che circondano un atomo occu-pano determinati orbitali. caratterizzati dalivelli energetici discreti. Quando in un so-lido gli orbitali di molti atomi si sovrap-pongono, gli elettroni si delocalizzano,cioè non sono più associati a un atomoparticolare. Allo stesso tempo i livelli ener-getici discreti si allargano in bande di ener-gia permesse, ognuna in grado di contene-re un numero di elettroni ben preciso. Sela più elevata delle bande di energia occu-pate in un solido è riempita soltanto par-zialmente, il materiale è un conduttore; sela banda è completa. il materiale è inveceun semiconduttore o un isolante.

Nei polimeri in cui le coppie di atomi dicarbonio adiacenti sono unite da doppi le-gami, gli orbitali si sovrappongono lungola catena polimerica e i livelli energetici sitrasformano in bande. La più elevata ban-da energetica occupata è completa. Perrendere conduttiva la molecola del polime-

ro lungo il proprio asse, gli elettroni devo-no essere spinti nella sovrastante bandaenergetica vuota.

Drogando un polimero di questo tipo(cioè introducendo in esso particolari im-purezze) se ne può accrescere fortementela conducibilità. L'agente drogante agisceprobabilmente eliminando o aggiungendoelettroni alle catene polimeriche. Sia che labanda energetica completa perda elettronisia che la banda sovrastante non completane acquisti, il materiale acquisisce la ban-da di energia parzialmente occupata che ènecessaria alla conduzione. Drogando conpentafluoruro di arsenico il poliacetilene,uno dei primi polimeri conduttori ottenuti,si può accrescere la sua conducibilità di 10ordini di grandezza, portandolo al livellodi alcuni metalli.

L'interpretazione teorica della conduci-bilità dei polimeri non è ancora completae rimangono ostacoli pratici all'impiegocorrente di questi materiali. Molti polimeriche possono essere resi conduttori hannocatene principali aromatiche in quanto igruppi aromatici contengono doppi legamie, pertanto, sono caratterizzati da orbitalisovrapposti. I polimeri conduttori a ba-stoncini rigidi sono difficili da lavorare, inquanto sono resistenti sia al calore, sia aisolventi; inoltre essi sono molto fragili.Tentando di ridurre questi inconvenienti,Mark Druy, Michael Rubner e SukantTripathy, dei GTE Laboratories, hanno mi-scelato polimeri conduttori con elastomeriper renderli più tenaci e quindi più facili darammollire e da sottoporre a formatura.

Certi polimeri possono essere manipo-lati in modo da presentare un tipo diverso

di comportamento della loro struttura elet-tronica. La luce è associata a un campoelettrico oscillante, che interagisce con lastruttura elettronica della materia. In ri-sposta al campo elettrico associato a unaluce molto intensa, le proprietà ottiche dicerti materiali si modificano. Questo com-portamento ottico non lineare si può pre-sentare come una variazione dell'assor-bimento ottico o dell'indice di rifrazione.Lo sviluppo di materiali che danno un'am-pia risposta non lineare potrebbe aprire lastrada a calcolatori o sistemi di comunica-zione completamente ottici, nei quali la lu-ce potrebbe controllare la propagazione dialtri fasci luminosi, proprio come, nellamicroelettronica, le correnti di elettroni sicontrollano a vicenda.

Comportamenti ottici non lineari di va-stissima portata sono stati riscontrati direcente in una classe di polimeri semicon-duttori, i polidiacetileni. Anthony F. Gari-to, dell'Università della Pennsylvania, eAlan Buckley della Celanese ResearchCompany hanno trovato comportamentinon lineari eccezionali anche in certi poli-meri a bastoncini rigidi, come il poli(para-fenilenbenzobisimidazolo) (PBO. Si pensache questo genere di comportamento ri-fletta la sovrapposizione di orbitali lungol'asse del polimero. Quando una luce in-tensa di una particolare lunghezza d'ondacolpisce la molecola con un angolo parti-colare, eccita gli elettroni delocalizzati inmodo tale che la loro risposta a un secon-do fascio di luce ne risulti alterata. Questarisposta si manifesta attraverso una varia-zione momentanea dell'indice di rifrazio-ne. In un dispositivo pratico basato su que-sto effetto, il materiale non lineare dovreb-be essere privo di difetti che diffondano laluce. A questo scopo Mrinal Thakur, deiGTE Laboratories, è riuscito a far crescerepellicole di polidiacetilene monocristallinoche rasentano la perfezione ottica.

Vista la grande versatilità che stanno di-mostrando, i polimeri vengono impie-

gati in primo luogo come materiali strut-turali, in cui hanno massima importanzale proprietà meccaniche. Dato che sia lalavorazione sia la sintesi molecolare han-no consentito di migliorare le prestazionimeccaniche dei polimeri, si continuerannoa cercare nuovi modi per disporre le ma-cromolecole. A questo scopo sarebbe benefarsi guidare dalla biologia.

La struttura del tendine è ricca d'inse-gnamenti. Il tendine è costituito principal-mente da una proteina fibrosa, il collage-no, polimero biologico immerso in unamatrice di altre sostanze simile a un gel.Esso presenta una gerarchia a sei diversilivelli di organizzazione. A livelli semprepiù fini l'insieme può essere suddiviso infasci, fibrille, sottofibrille e microfibrille;infine vi è la macromolecola di tropocolla-geno, una tripla elica di catene polipeptidi-che. Questa struttura rispecchia le solleci-tazioni a cui il tendine viene sottoposto; aciascun livello essa è orientata lungo ununico asse e le fibrille hanno un aspettopieghettato che accresce la loro elasticità.

Inoltre, la natura gerarchica della strut-tura è responsabile della tenacità della fi-bra. Quando il tendine è sottoposto a ungrande sforzo, piccoli elementi della strut-tura cedono indipendentemente: le fibrillesi risolvono in sottofibrille e in microfibril-le. Il cedimento locale assorbe energia eimpedisce quindi il cedimento catastroficodell'intero sistema almeno fino a quandoesso non abbia subito danni gravissimi.

Lo stesso principio, di un'erganizzazio-ne gerarchica puntualmente sintonizzatacon le sollecitazioni alle quali è sottoposta,si manifesta in molti altri materiali biologi-ci. Per esempio, sotto il rivestimento mu-coso, la parete dell'intestino è rinforzatada fibre di collageno pieghettate. Duecompagini orientate di fibre circondanol'intestino obliquamente e si incrocianocon un angolo di circa 60 gradi. Sia lapieghettatura delle fibre, sia la loro dispo-sizione obliqua permettono all'intestino diallargarsi e poi di restringersi elasticamen-te. Le tecniche sperimentali della scienzadei materiali hanno rilevato altre relazionidel genere, parimenti eleganti, fra strutturae pioprietà meccaniche nelle pareti del-l'aorta, nei dischi intervertebrali e nellecartilagini delle articolazioni.

La scienza dei polimeri comincia a imi-tare i principi di organizzazione gerarchi-ca che si riscontrano nei tessuti biologici.In molti nuovi materiali compositi a ma-

trice polimerica, le fibre di rinforzo sonodisposte secondo configurazioni che anti-cipano le sollecitazioni alle quali si troveràesposto il materiale. Alcuni polimeri sinte-tici imitano perfino la capacità delle ma-cromolecole biologiche di autoassociarsiin strutture complesse. Poiché l'orienta-zione delle molecole dei polimeri liquido--cristallini è sensibile allo scorrimento, essipossono assumere spontaneamente unamorfologia complessa. Per esempio, inuno studio che i miei collaboratori e io ab-biamo intrapreso è stato prodotto un rive-stimento stratificato simile alla mica, conun elevato grado di orientazione moleco-lare conferita dallo stampaggio per iniezio-ne. L'orientazione molecolare ha reso rigi-do il materiale e la stratificazione analogaa quella della mica ha dato tenacità allasuperficie del polimero, mettendolo in gra-do di assorbire danni localizzati.

Eallettante ipotizzare che lo studio dei materiali biologici possa far proget-tare nuove gerarchie per i polimeri sinteti-ci. Come minimo la biologia dimostra cheè possibile progettare i polimeri come si-stemi per un impiego particolare. I polime-ri che dovranno soddisfare le esigenze delXXI secolo non saranno di certo concepiticome materiali monolitici bensì come si-stemi di materiali strutturati in maniera as-sai complessa.

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