Test aerodinamici più facili con la vernice luminescente made in Italy

UniMib

Una vernice a base di nano-particelle fluorescenti le quali sono in grado di rilevare le variazioni di pressione presenti nell’aria circostante aumentando l’intensità luminosa in maniera proporzionale alla quantità di pressione esercitata al di sopra di essa.

Sembra un’invenzione degna dei migliori film di fantascienza ma è il risultato di uno studio su nano-particelle a semiconduttore, condotto da un team di ricerca del Dipartimento di Scienza dei Materiali dell’Università di Milano-Bicocca coordinato da Sergio Brovelli e Francesco Meinardi in collaborazione con un gruppo dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova sotto la guida di Iwan Moreels. La ricerca è stata interamente pubblicata sulla rivista Nature Communications come ‘Reversed Oxygen Sensing: using Colloidal Quantum Wells: towards highly emissive photoresponsive varnishes’ .

Cosa sono le vernici luminescenti?

Le vernici luminescenti sono impiegate nella produzione di lampade a basso consumo energetico, oppure in casi in cui è necessario valutare i flussi interni di un gas. Rilevante è il ruolo che ricoprono nel campo dell’ingegneria aerospaziale e automobilistica: vengono utilizzate infatti per effettuare test aerodinamici su alcuni modelli di velivoli o automobili, così da migliorarne le prestazioni ed ottimizzarne i consumi di quest’ultimi. I modelli vengono dapprima verniciati con la miscela luminescente costituta da nanofogli e poi posizionati all’interno di una galleria del vento. Sono esposti all’istante a flussi d’aria la cui pressione varia gradualmente e al contempo vengono illuminati da una lampada ultravioletta. La luce emessa dalla vernice viene rilevata da una fotocamera ed elaborata da appositi software che, una volta ricostruita l’immagine del modello, permettono di risalire alla quantità di pressione esercitata in ogni punto della sua superficie. L’illustrazione nella foto, messa a disposizione dal sito dell’UniMib, mostra le diverse fasi di un test aerodinamico basato sull’utilizzo di una vernice luminescente (eseguito in questo caso su di uno Space Shuttle).

Ci sono due tipi di vernice luminescente: quella per sensori di gas e quella per sensori di pressione. Quest’ultime, meglio conosciute come pressure sensitive paints, le quali sono costituite da materiali molto particolari, i cromofori, sono dotati di una specifica sensibilità alle sostanze chimiche gassose. Quando opportunamente illuminati, brillano con un’intensità che dipende dalla pressione del gas a cui sono soggetti, come mostrato graficamente nella foto a cura della rivista Nature Communications.

Attualmente però il funzionamento delle vernici sensibili alla pressione si basa sul fatto che, quando interagiscono con gas ossidanti, si attivano processi che ne spengono l’emissione luminosa.

Ci si trova quindi nella situazione paradossale per cui più gas significa meno luce: l’immagine della distribuzione della pressione su un modello in un test aerodinamico è di conseguenza in negativo-, spiega Monica Lorenzon in una dichiarazione nel sito ufficiale dell’UniMib che lavora su questo progetto nel suo Dottorato in Scienza e Nanotecnologia dei Materiali. La realizzazione quindi di una vernice sensibile alla pressione ma dal comportamento inverso, vale a dire che aumenti la propria intensità luminosa in presenza di ossigeno, è stata finora impedita dalla mancanza cromofori adeguati. Lo studio condotto dall’Università di Milano-Bicocca ha permesso di sviluppare dei nano-materiali costituiti da nanofogli di semiconduttore, che sono quindi in grado di generare un segnale luminoso più intenso in presenza di ossigeno, oltre che di rivelare efficientemente variazioni di pressione grazie alle loro ampie superfici sensibili.

È qui che risiede l’aspetto innovativo del nuovo nanosensore:

Si è trattata di una fantastica intuizione, del tutto inaspettata – confida a Close-up Engineering in una telefonata Sergio Brovelli.
Segnala, illuminandosi, che in un punto specifico del velivolo o dell’autovettura vi è un agglomerato di pressione dovuto alla superficie poco aerodinamica di quel settore e che quindi necessita di una miglioria.

La nuova vernice reagisce a variazioni infinitesime di pressione anche su notevoli quantità di aria. È come avere un termometro che invece di andare solo da zero a cento gradi, scende fino a 100 gradi sotto lo zero. In questo modo possiamo ottenere una dinamica di misurazione molto più sensibile, affidabile e precisa. L’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova guidato da Iwan Moreel ha sintetizzato i materiali su cui si è basata la sperimentazione facilitando così lo svolgimento della ricerca.

UniMib

Nell’immagine, divulgata da UniMib, sono presenti le fotografie della vernice luminescente in vuoto (vacuum) e in presenza di ossigeno (oxygen), accostate alle corrispondenti rielaborazioni grafiche tridimensionali dell’intensità della luce emessa. Il rettangolo centrale contiene invece una fotografia dei nanofogli di cui è costituita la vernice ottenuta tramite il microscopio elettronico in trasmissione. Come si può apprezzare sia nella foto sia nella rappresentazione 3D, la presenza di ossigeno ‘accende’ la vernice, causando un significativo aumento del segnale luminoso emesso dai nanofogli.