Il nuovo materiale oggetto di attenzione è un 'gel strutturato' che potrebbe essere utilizzato per realizzare dei sensori non costosi e veloci, grazie alla sua capacità di modificare, nel tempo di poche frazioni di secondo, il proprio colore, in presenza di una molteplice varietà di stimoli esterni.

I gel strutturati si caratterizzano per avere una disegno interno, ad esempio, a strati. Il gel oggetto di studio da parte dei ricercatori del MIT cambia di spessore in presenza di stimoli esterni ed a tale variazione corrisponde una modifica del colore in un ambito che comprende l'intero spettro visibile della luce.

Questo nuovo materiale è stato ottenuto a partire da un sottile film costituito di due strati: uno 'duro' di polystyrene e l'altro 'morbido' di poly-2-vinyl-pyridina (2VP). Irraggiando questo nuovo materiale con dei fotoni di luce, la porzione dello spettro luminoso che viene riflessa e quindi la colorazione assunta dal gel, dipende dallo spessore del gel bi-stratificato e dal suo indice di rifrazione; tale spessore può essere modificato agendo semplicemente sullo strato di poly-2-vinyl-pyridina, ad esempio in presenza di stimoli esterni, quali la variazione di temperatura, umidità, pressione, pH e concentrazione salina. La variazione di lunghezza d'onda della luce riflessa dal gel ci permetterà quindi di misurare in modo molto preciso l'entità della variazione di ciascuna grandezza, come ad esempio la concentrazione salina.

Per poter misurare la variazione di spessore del gel in presenza dei detti stimoli esterni bisogna previamente farlo dilatare fornendo una carica positiva all'anello piridinico di ciascun segmento costituente la molecola di poly-2-vinyl-pyridina, in tal modo si origina una catena di molecole che si può espandere, in presenza di acqua, fino a dieci volte il proprio volume, modificando per conseguenza le proprietà ottiche del gel; tale espansione degli strati di 2VP è indotta dalla repulsione tra le cariche positive addizionate.

L'aggiunta all'acqua che permea il gel di (ad esempio) una soluzione salina avente elevata concentrazione determina la saturazione di una quantità più, o meno maggiore delle cariche positive e quindi le catene di 2VP si contraggono ed il gel precipita in forma di aggregati aventi la forma di palla, o di stringa e cioè dei blocchi disordinati riflettenti radiazioni di lunghezza d'onda differente rispetto allo stato 'disteso' e quindi aventi anche diverso colore.

Lisciviando la soluzione salina ricompaiono le cariche positive, il gel torna ad espandersi in presenza di acqua e cambia di nuovo colore.

Come ci segnala sinteticamente lo stesso Edwin Thomas, applicando al gel forze meccaniche, o chimiche è possibile ottenere risposte realmente grandi, descritte dall'intero spettro luminoso, partenti cioè dai 300 nanometri dell'ultravioletto fino ai 1600 nanometri dell'infrarosso.

I concetti fin qui esplicati sono inoltre sinteticamente espressi, dagli autori di questo studio, sulla base delle peculiari proprietà chimiche di questo gel dicendo che polimeri 'morbidi' come il '2VP' possono essere agevolmente gonfiati in presenza di acqua, o vapore ottenendo che riflettano differenti lunghezze d'onda a seconda di come le loro molecole siano chimicamente modulate.

Per quanto riguarda l'utilizzo pratico di questo nuovo materiale il professor Thomas segnala l'utilità nel settore della lavorazione degli alimenti per permettere di disporre di una precisa misurazione delle variazioni di umidità negli impianti di lavorazione delle derrate alimentari.

Il gruppo di ricerca di cui fa parte il dottor Thomas sta proseguendo questo studio per individuare anche un qualche materiale che modifichi le sue proprietà ottiche in presenza di una differenza di potenziale elettrico, che in ambito agricolo noi sappiamo potrebbe essere utilizzato per rilevare la variazione di potenziale di ossidoriduzione del terreno, che evidenzia la maggiore, o minore disponibilità di ossigeno e quindi la solubilità degli elementi minerali in esso presenti.

Questa ricerca è stata finanziata dall'Agenzia per i Progetti Avanzati di Ricerca della Difesa (Defense Advanced Research Projects Agency) e dalla Fondazione Nazionale della Scienza (National Science Foundation)

Collegamenti di approfondimento:

• Nella seguente pagina del sito internet del MIT è possibile assistere alla visione di un filmato che ci mostra la variazione del volume del gel in corrispondenza dell'aggiunta di cloruro di ammonio. E' inoltre possibile commentare il video per mezzo di un apposito formulario.
• Edwin L. Thomas home page.
• Gruppo di Ricerca 'Thomas' ('Thomas Lab'): Ricerche inter-disciplinari focalizzate sullo sviluppo di nuovi polimeri e materiali composti di nuovi polimeri, aventi proprietà ottiche, meccaniche ed elettroniche inusuali.