Immaginiamo un colore che non sbiadisce, nemmeno dopo cinquant’anni di esposizione al sole cocente, e non contiene neppure una goccia di inchiostro chimico. È possibile? sì, nel caso della farfalla blu Morpho, i cui colori strutturali rimangono vividi per decenni, senza nessun ausilio da parte della chimica.
L’industria delle tinture è, storicamente, tra le più tossiche al mondo. Si basa su pigmenti che assorbono la luce e, in risposta, rilasciano calore. La scienza dei materiali, oggi, sta compiendo un balzo in avanti senza precedenti, grazie alla biomimesi. Lo studio e l’imitazione delle nanostrutture naturali può manipolare la luce. Comprendere a fondo i colori strutturali significa passare da una produzione basata sull’estrazione di metalli pesanti, come quella attuale, a una diametralmente opposta, che si affidi alla fisica pura, creando rivestimenti sostenibili ed eterni.
Cos’è il colore strutturale? Il trucco ottico della natura
Il segreto della natura non sta tanto nel cosa, ma nel come. I materiali di cui si compone un oggetto non sono così rilevanti; la struttura con cui è costruito conta molto di più. Gli esseri umani hanno sempre cercato di colorare il mondo aggiungendo sostanze, spesso nocive, mentre la natura ha preferito scolpire la materia, fino a renderla colorata di una determinata tinta tramite l’affioramento delle cromie naturali. Lo sfruttamento della biomimesi ha l’ambizioso obiettivo di rendere l’uomo in grado di fare altrettanto.
Il limite dei pigmenti chimici tradizionali
Le vernici di cui ci serviamo funzionano tramite pigmenti che assorbono, selettivamente, alcune lunghezze d’onda della luce, e ne riflettono altre. Questo processo ha due grandi difetti. Il primo è che l’assorbimento di energia genera calore, come ben sa chiunque possegga, per esempio, un auto scura, e vada a riprenderla dopo averla lasciata sotto il sole per diverse ore. Il secondo è che i raggi ultravioletti degradano le molecole chimiche nel corso del tempo. È questo il motivo per il quale le carrozzerie, i vestiti e gli oggetti esposti al sole perdono brillantezza.
In aggiunta, occorre considerare come la produzione delle molecole coloranti richieda metalli pesanti, derivati del petrolio, rendendo piuttosto difficile la creazione di tinture ecologiche per tessuti che siano davvero a impatto zero per l’ambiente.
La nanogeometria e l’interferenza luminosa
Il colore strutturale di una farfalla Morpho nasce da un concetto fisico completamente estraneo all’industria della produzione di vernici, chiamato interferenza ottica. Se guardassimo le ali di questa farfalla al microscopio elettronico, non troveremmo pigmento blu, nonostante quello sia il colore più evidente all’occhio, ma soltanto minuscole squame, a forma di albero di Natale. Il Biomimicry Institute di Bozeman, nel Montana, che si dedica allo studio della biomimesi, ha prodotto alcune pratiche schede tecniche per spiegare la straordinarietà del funzionamento delle ali di questo coleottero. Le risorse sono in lingua inglese.
Quando la luce colpisce queste strutture nanoscopiche, visibili soltanto con strumenti di precisione, rimbalza in modo calcolato. Alcune lunghezze d’onda si annullano a vicenda, mentre quella del blu viene amplificata enormemente. È un gioco di specchi geometrici che crea un colore puro, brillante e, soprattutto, fisico. Non chimico come le tinte che conosciamo.
La scienza dietro i colori strutturali: glossario utile
Al fine di comprendere appieno l’innovazione legata ai colori strutturali e l’ispirazione che possiamo trarre da esseri meravigliosi come la farfalla Morpho, faremmo bene a familiarizzare con alcuni vocaboli legati a concetti chiave della biomimesi dei materiali. Se vogliamo imitare la natura dobbiamo prima conoscerla a fondo.
Biomimetica: l’arte di copiare la natura
La biomimetica, anche chiamata biomimesi o biomicria, è una disciplina scientifica interdisciplinare. Essa studia e imita i modelli, i sistemi, i processi biologici e le strategie meccaniche sviluppate dalla natura, in milioni di anni di evoluzione, al fine di risolvere problemi umani e creare nuove tecnologie sostenibili.
Non si limita a un’imitazione soltanto estetica, ma cerca di replicare l’efficienza funzionale dei meccanismi biologici. Ed è proprio qui che sta il difficile. Nel contesto dei colori strutturali, la biomimetica si concentra sulla struttura microscopica delle ali delle farfalle e di altri organismi, come per esempio il pavone o alcuni coleotteri, al fine di replicare la loro capacità di generare colore non servendosi di sostanze chimiche, ma sfruttando la forma e la struttura stesse del materiale e le modalità nelle quali il sole lo colpisce.
Pigmento: il colorante tradizionale
Un pigmento non è che una sostanza chimica in grado di assorbire luce per riflettere uno specifico colore.
Le vernici tradizionali si basano sulle reazioni provocate dalla pigmentazione per indurci a percepire uno specifico colore. Per causarle però, devono servirsi di minerali pesanti, dall’impatto ambientale elevato, indispensabili per cedere la propria tinta al prodotto colorante. I colori strutturali eliminano totalmente la necessità di questi composti, perché non si basano sulla chimica.
VOC: I nemici dell’aria indoor
I composti organici volatili (chiamati VOC, dall’acronimo del loro nome in inglese, volatile organic compounds) sono sostanze chimiche che evaporano facilmente nell’aria, inquinandola se ci si trova al chiuso. Nella produzione delle vernici tradizionali sono usati come solventi.
L’innovazione dei colori senza pigmenti punta a eliminare i VOC, poiché la tinta non deriva da una sostanza dispersa in solventi tossici, ma dalla forma, dalla struttura fisica del rivestimento stesso. Dal punto di vista ambientale, così come da quello della salute umana, data la loro tossicità, questi composti rappresentano il sottoprodotto più intollerabile dell’industria delle vernici.
Le applicazioni pratiche dei colori strutturali: dai vestiti eterni al raffrescamento dei palazzi
L’impatto che i colori strutturali potrebbero avere sul mercato ha il potenziale di essere dirompente. La biomimesi dei materiali potrebbe consentire lo sviluppo di prodotti che, fino a qualche anno fa, erano considerati fantascienza, perché impossibili da realizzare. Vediamo che cosa potrebbe cambiare, nella quotidianità di ciascuno, qualora questa tecnologia divenisse replicabile e riproducibile su scala industriale.
- Alcune startup stanno già sviluppando fibre che incorporano nanostrutture, creando tinture ecologiche per tessuti basate sulla fisica, le quali non necessitano di bagno chimico, ovvero del tradizionale processo di produzione impattante. Questo potrebbe azzerare le tonnellate di acqua tossica scaricata annualmente dai distretti tintori globali, inquinante per l’intero ecosistema marino, e rappresentare un considerevole passo avanti verso una nuova frontiera della moda sostenibile.
- Un’equipe di ricercatori dell’Università della Florida Centrale ha creato una vernice ultraleggera, basata su nanoparticelle di alluminio e che non si compone di pigmenti. Definita plasmonica, è talmente efficiente che bastano appena 1,4 chilogrammi di prodotto per coprire interamente un Boeing 747. Impiegando vernici tradizionali, la pittura di un simile aerovettore richiederebbe alcune centinaia di chili di colore. Va da sè che lo sfruttamento di questa tinta può tradursi in un risparmio di pittura esponenziale, se traslato sull’intero globo.
- Grazie alle proprietà delle vernici riflettenti strutturali, è possibile mantenere i palazzi e le infrastrutture molto più freschi. Poiché queste vernici riflettono l’intera radiazione infrarossa, invece di assorbirla, riducono drasticamente la necessità di aria condizionata, offrendo un sistema di raffreddamento passivo che combatte l’effetto isola di calore nelle città e aumenta sensibilmente l’efficienza energetica delle abitazioni.
L’introduzione dei colori strutturali causerebbe un immediato abbassamento delle emissioni legate a tre dei settori più inquinanti che conosciamo: moda, edilizia e automotive. L’adozione di questa tecnologia non è prossima, ma la ricerca è ben avviata e la possibilità di successo pressoché garantita, dal momento che a farne uso è la natura, la quale difficilmente fallisce.
