Il 4 gennaio 2012, all'interno del programma "Cose dell'altro Geo", è andata in onda su RaiTre la trasmissione "Geo Scienza", dove sono stati presentati da Andrea Pucci, ricercatore del dipartimento di Chimica e chimica industriale, una serie di esperimenti su alcuni film polimerici condotti dal team di ricerca dell'Università di Pisa. I materiali hanno la proprietà di cambiare colore a seguito di stimoli esterni di varia natura come le deformazioni meccaniche e gli sbalzi di temperatura, e sono sviluppati in collaborazione con i professori Marco Pasquali, Francesco Ciardelli e Giacomo Ruggeri all'interno di un progetto denominato "Poloptel", finanziato dalla Fondazione Cassa di Risparmio di Pisa.
In studio Andrea Pucci ha mostrato una serie di pellicole che, sottoposte a deformazione, hanno cambiato colore in emissione da verde a blu a causa della rottura degli aggregati di colorante in esso dispersi. In un secondo esperimento è stato poi mostrato il fenomeno opposto, cioè la formazione di aggregati di colorante una volta che il film viene posto per pochi istanti sopra una piastra alla temperatura controllata superiore a 60°C.
I risultati di questa ricerca potrebbero avere importanti ricadute nella vita di tutti i giorni portando allo sviluppo di pellicole per "imballaggio intelligente", capaci cioè di rilevare attraverso un cambiamento delle proprietà ottiche del materiale se vi è stata una sollecitazione esterna (contaminazione), attraverso uno stress meccanico (deformazione, strappo del materiale), o di natura termica (sbalzo di temperatura). Visti i controlli necessari per tutti gli alimenti appartenenti alla catena del freddo, la ricerca potrebbe portare allo sviluppo di nuovi imballaggi alimentari, le cui caratteristiche devono rispondere a parametri precisi, come garantire la protezione dell'alimento da danni meccanici, oppure prevenirne o ritardarne la degradazione fisica.
Guarda il video della trasmissione.
Ne hanno parlato:
Tirreno Pisa
PisaNotizie.it
TirrenoPisa.it
Greenreport.it
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Intervista ad Andrea Pucci
Di cosa è fatta la pellicola sensibile alla deformazione meccanica?
Il materiale è semplicemente composto da una miscela di un polimero di largo uso, soprattutto nel settore dei film per l'imballaggio e cioè polietilene o polipropilene oppure poliesteri aventi caratteristiche anche di biodegradabilità, con un colorante generalmente impiegato come sbiancante ottico per plastiche o tessuti in concentrazione inferiore all'1% in peso.
Quali sono i materiali più largamente utilizzati per tale tipo di applicazione?
Sono materiali plastici che compongono i film per l'imballaggio e generalmente polietilene, sia a bassa che alta densità, o polipropilene. Negli ultimi anni poliesteri biodegradabili stanno entrando come materiali di largo consumo. Le caratteristiche principali del colorante sono la sua fluorescenza, le sue proprietà ottiche modulabili a seconda del suo stato di aggregazione e la sua scarsa mobilità all'interno del film polimerico, proprietà che rende il colorante impiegabile anche per gli imballaggi alimentari. Tra le caratteristiche appunto degli imballaggi alimentari, la protezione dell'alimento da danni meccanici, la prevenzione o ritardo della degradazione fisica e il rappresentare una fonte di informazione risultano quelle maggiormente richieste negli ultimi anni.
Come si prepara la pellicola?
Il metodo di preparazione prevede l'aggiunta sia del polimero che del colorante all'interno della camera di miscelazione di un miscelatore discontinuo oppure di un estrusore. L'alta temperatura presente all'interno della macchina di circa 180-200°C a seconda del polimero di partenza fa fondere il polimero mentre la rotazione dei rotori consente la miscelazione del colorante all'interno della matrice fusa. Terminata la miscelazione, la miscela polimero-colorante viene recuperata e sottoposta a un processo di stampaggio ad alta temperatura e pressione che consente l'ottenimento della pellicola avente spessori dell'ordine dei 100 micron
In quali forme le molecola di colorante sono disperse?
A seconda della concentrazione di colorante all'interno del film di polimero si possono avere due forme in equilibrio tra di loro: quella in cui le molecole di colorante sono disperse singolarmente e non interagenti tra di loro (M) e quella in cui le molecole sono fortemente interagenti e aggregate (A).
Come posso promuovere la loro aggregazione e cosa comporta alle proprietà del colorante?
L'aggregazione può essere ad esempio promossa aumentando la concentrazione del colorante all'interno del film. Esisterà quindi una soglia di concentrazione, che varia in base alla natura del polimero e del colorante stesso, al di sopra della quale l'equilibrio tra le due forme viene a instaurarsi. Alcuni coloranti sono in grado di emettere un radiazione luminosa chiamata fluorescenza differente se le loro molecole sono nella forma non interagente oppure in quella aggregata. Ad esempio, nel caso del colorante da noi utilizzato la forma non interagente e molecolarmente dispersa nel film polimerico emette luce blu a 430 nm, mentre la forma aggregata di colorante emette luce verde (500 nm).
Cosa succede ad esempio se una pellicola contenente coloranti in forma aggregata subisce una deformazione?
A seguito della deformazione meccanica le catene di polimero tendono a riorganizzarsi lungo la direzione dello stress meccanico. Le forze che agiscono a livello molecolare sono tali da promuovere non solo il trascinamento degli aggregati di colorante lungo la direzione di deformazione ma anche la loro rottura. L'accumulazione all'interno del film deformato di molecole di colorante non più nella forma di aggregato ma nella forma isolata e non interagente promuove di conseguenza anche una variazione di colore dell'emissione da verde a blu.
Di cosa è fatta la pellicola sensibile alla sollecitazione termica?
La pellicola sensibile allo stress di natura termico, come ad esempio uno sbalzo di temperatura, è composta da un materiale polimerico differente dal caso dei materiali usati precedentemente come indicatori di deformazione. Il polimero è infatti caratterizzato dall'avere la temperatura di transizione vetrosa, e cioè il valore di temperatura al di sotto della quale un materiale amorfo si comporta da solido vetroso, al di sopra della temperatura ambiente e non distante da quella di miscelazione.
Come si prepara?
Il materiale polimero+colorante si prepara sempre per miscelazione meccanica ad alta temperatura introducendo i componenti nella camera di miscelazione. A fine processo il polimero tende a raffreddare e la sua temperatura scende al di sotto della temperatura di transizione vetrosa più velocemente della diffusione delle molecole di colorante le quali al di sotto della transizione vetrosa si troveranno intrappolate cineticamente all'interno del film nella forma non interagente. Il film quindi emetterà un'emissione blu a circa 430 nm.
Cosa succede alla pellicola contenente colorante se viene sollecitata termicamente al di sopra di una certa temperatura?
Se la pellicola contenente colorante molecolarmente disperso subisce uno stress termico a una temperatura superiore alla sua transizione vetrosa, la mobilità della fase polimerica consente la diffusione delle molecole di colorante che tendono ad aggregarsi promuovendo il cambiamento di colore in emissione da blu a verde.
Dov'è indirizzata la ricerca oggi su tale tipo di applicazione?
La ricerca oggi soprattutto in ambito accademico è indirizzata verso materiali biodegradabili o ottenuti da processi di riciclo di plastiche, quindi si pensa anche a applicazioni non in ambito puramente alimentare ma ad esempio materiali per il settore dell'edilizia dove è importante monitorare la stabilità meccanica di una struttura portante. Inoltre la ricerca è concentrata nel rendere il materiale ancora più sensibile verso ad esempio le minime sollecitazioni meccaniche o piccole variazioni di temperatura.