Con l’obiettivo di realizzare un primo prototipo di muscolo artificiale, un team di ricercatori, con competenze in Chimica dei Materiali, Ottica, Fisiologia e Medicina Sperimentale, è riuscito a sviluppare dei materiali innovativi che, capaci di contrarsi se stimolati con la luce, sono stati implementati in modo da mimare la contrazione del muscolo cardiaco.
La ricerca ha dimostrato che questi materiali foto-responsivi sono potenzialmente in grado di aumentare la performance contrattile del cuore umano, poiché sono capaci di riprodurne le proprietà meccaniche.
Lo studio, condotto da ricercatori dell’Istituto Nazionale di Ottica del Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR-INO), dell’Università di Firenze e del Laboratorio Europeo di Spettroscopia Non Lineare, o LENS (European Laboratory for Non-linear Spectroscopy), è stato pubblicato sulla rivista Circulation Research nell’articolo Development of Light-Responsive Liquid Crystalline Elastomers to Assist Cardiac.

Il team ha progettato e sintetizzato una vera e propria “palette” di cristalli liquidi elastomerici o LCEs (Liquid Crystalline Elastomers) capaci di contrarsi sotto una stimolazione luminosa. I materiali messi a punto sono stati caratterizzati meccanicamente come se fossero dei muscoli, con l’obbiettivo di identificare quelli con le proprietà più simili a quelle del cuore. Nello specifico è stato realizzato un materiale biocompatibile in grado di cambiare la forma in modo reversibile in risposta a un dato stimolo: questo consente di produrre livelli di forza paragonabili o superiori a quelli del muscolo nativo, replicandone le proprietà cinematiche.
Fino ad ora, tuttavia, la loro applicazione in biologia era limitata dai tempi di risposta lenti e da una modesta possibilità di modulare i livelli di tensione durante l’attivazione.

I risultati ottenuti con questa ricerca sono però andati oltre le aspettative, e si rivelano estremamente importanti nel contesto di numerose patologie cardiache, sia genetiche che acquisite, come ad esempio nel caso di un infarto massivo o in presenza di una cardiomiopatia. In queste situazioni il tessuto cardiaco viene irreversibilmente danneggiato e il cuore riduce la sua funzione di pompa. Nei casi più gravi, le alternative a disposizione sono quelle chirurgiche che però sono estremamente limitate e invasive, ed il trapianto cardiaco rimane l’unica soluzione a lungo termine.
È stato dimostrato come questi materiali, lavorando in sostituzione o accoppiati al muscolo danneggiato, potrebbero invece essere impiegati in futuro per assistere efficacemente la funzione contrattile di un cuore malato.

Benché essi siano stati sviluppati per assistere la contrazione cardiaca, le applicazioni della ricerca sono molteplici e riguardano diversi settori della medicina. A esempio, nel caso di distrofie muscolari, malattie neurodegenerative e lesioni spinali, il loro utilizzo può essere esteso per assistere la funzione compromessa dei muscoli scheletrico e liscio.

Testo redatto su fonte CNR del 24 maggio 2019
Per approfondimenti: Development of Light-Responsive Liquid Crystalline Elastomers to Assist Cardiac Contraction, DOI: 10.1161/CIRCRESAHA.118.313889 – Circulation Research | 12.04.2019
Image credit: Otto von Guericke University of Magdeburg

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I cuprati sono composti a base di rame e ossigeno, e rappresentano i cosiddetti superconduttori ad alta temperatura critica. A oltre trent’anni dalla loro scoperta (1986), essi non hanno ancora svelato il meccanismo che sta alla base della loro capacità di trasportare corrente elettrica senza resistenza, e di farlo anche a temperature molto meno basse degli altri superconduttori, fino a -143° C. Ora, uno studio condotto da ricercatori del Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano, in collaborazione con la Stanford University che ha coordinato la ricerca, pubblicata su Nature in Three-dimensional collective charge excitations in electron-doped copper oxide superconductors, svela nuovi dettagli chiave sulla “dimensionalità” dei cuprati.
Gli esperimenti basati sui raggi X stanno avendo un ruolo importante, soprattutto grazie alla tecnica messa a punto dai ricercatori del Politecnico di Milano in collaborazione con l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility): la diffusione anelastica risonante di raggi X, o RIXS (Resonant Inelastic X-ray Scattering). Gli esperimenti sono stati condotti al Beamline ID32 (Soft X-ray spectroscopy), e resi possibili grazie a ERIXS, uno spettrometro che, progettato e costruito in collaborazione tra Politecnico e ESRF, viene utilizzato da ricercatori di tutto il mondo.

Nello specifico, lo studio ha permesso di capire come fenomeni a 2 e a 3 dimensioni coesistano in questi materiali. Struttura cristallina (posizione degli atomi), magnetica (come si orientano gli spin degli atomi) ed elettronica (come si muovono gli elettroni nel materiale) sono sostanzialmente bidimensionali, e i cuprati sono composti da piani paralleli che apparentemente non comunicano tra loro.
La ricerca condotta mostra invece che la superconduttività è il risultato di uno stato quantistico coerente tridimensionale che coinvolge più piani. Fino ad ora mancava però la dimostrazione sperimentale dell’esistenza di un effettivo legame tra i piani nei cuprati. Utilizzando il RIXS si sono osservati fenomeni di oscillazioni della carica elettrica, i cosiddetti plasmoni, che hanno natura tridimensionale, benché coinvolgano elettroni confinati nei piani bidimensionali. Questa tridimensionalità conferma quanto si sospettava, e cioè che i piani comunicano tra loro a distanza pur senza scambiarsi elettroni: un risultato che consente ora di spiegare perché sia assai difficile ottenere la superconduttività in film di cuprati così sottili da poter essere considerati perfettamente bidimensionali.

Beamline ID32 all’ESRF – Image credit: P. Jayet

Spettrometro RIXS del Beamline ID32 all’ESRF – Image credit: ESRF/Stef Cande

Testo redatto su fonte Politecnico di Milano del 15 novembre 2018
Per approfondimenti:
Three-dimensional collective charge excitations in electron-doped copper oxide superconductors, DOI: 10.1038/s41586-018-0648-3 – Nature | 31.10.2018
New insight into high-temperature superconductors – ESRF | 05.11.2018
Image credit: Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory

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Un gruppo di ricerca internazionale coordinato dal Politecnico di Milano è riuscito per la prima volta a realizzare nano-circuiti magnetici riconfigurabili per onde di spin utilizzando l’innovativa tecnica tam-SPL (thermally assisted magnetic – Scanning Probe Lithography), che ha permesso di controllare le configurazioni di spin in un film di materiale magnetico.
Questo risultato, descritto su Communications Physics nell’articolo Nanoscale spin-wave circuits based on engineered reconfigurable spin-textures, permetterà di sviluppare nuovi sistemi più veloci, flessibili e compatti di elaborazione dell’informazione nei futuri processori.
Il lavoro è stato coordinato dal Dipartimento di Fisica nell’ambito del progetto SWING (Patterning Spin-Wave reconfIgurable Nanodevices for loGics and computing) ed è frutto di una collaborazione con ricercatori del CUNY-ASRC (New York), CNR-IOM (Perugia) e Paul Scherrer Insititute (Villigen, Zurigo).

Image credit: Communication Physics (2018) DOI: 10.1038/s41467-018-05235-z

Le onde di spin sono l’analogo delle onde elettromagnetiche o acustiche nel campo del magnetismo. In un ferromagnete, ad esempio una comune calamita, gli spin, cioè i momenti magnetici dei singoli elettroni che compongono il materiale sono allineati in una direzione. Un materiale ferromagnetico è una sorta di mare di spin. Se in esso gettiamo l’equivalente magnetico di una pietra, si generano delle perturbazioni dell’orientazione degli spin che si propagano come le onde nel mare. Queste perturbazioni sono chiamate onde di spin.
Esse potranno essere utilizzate nei processori del futuro, per manipolare l’informazione in maniera veloce ed energeticamente efficiente, in modo analogo all’ottica integrata, con la differenza che le onde di spin possono avere lunghezze d’onda inferiori a quelle della luce visibile e quindi permettere una più spinta miniaturizzazione.

Fino ad ora però, realizzare circuiti logici in cui controllare le onde di spin con una precisione del nm (un miliardesimo di metro), era molto difficile. I ricercatori del Politecnico di Milano sono però riusciti a risolvere questo problema grazie alla tecnica tam-SPL con cui sono in grado di scrivere, cancellare e riscrivere a piacimento una configurazione di spin in un ferromagnete con la scansione di una “penna ultrasottile” (la punta di un microscopio a forza atomica). Questo ha permesso di realizzare per la prima volta guide d’onda nanometriche in cui le onde di spin posso viaggiare, curvare e interagire tra di loro, compiendo un significativo passo in avanti nello sviluppo di nuove piattaforme per i nostri computer o smartphone del futuro.

Testo redatto su fonte Politecnico di Milano del 10 ottobre 2018
Per approfondimenti: Nanoscale spin-wave circuits based on engineered reconfigurable spin-textures, DOI: 10.1038/s41467-018-05235-z – Communications Physics | 20.09.2018
Image credit: Novel Patterning Technologies (2018), DOI: 10.1117/12.2301253

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Carbon nanotubes (CNTs) are one of the strongest known materials. When assembled into fibres, however, their strength becomes impaired by defects, impurities, random orientations and discontinuous lengths. Fabricating CNT fibres with strength reaching that of a single CNT has been an enduring challenge. Here, we demonstrate the fabrication of CNT bundles (CNTBs) that are centimetres long with tensile strength over 80 GPa using ultralong defect-free CNTs. The tensile strength of CNTBs is controlled by the Daniels effect owing to the non-uniformity of the initial strains in the components. We propose a synchronous tightening and relaxing strategy to release these non-uniform initial strains. The fabricated CNTBs, consisting of a large number of components with parallel alignment, defect-free structures, continuous lengths and uniform initial strains, exhibit a tensile strength of 80 GPa (corresponding to an engineering tensile strength of 43 GPa), which is far higher than that of any other strong fibre.

High-resolution imaging devices are of interest in the development of accurate 3D vision systems. However, it is challenging to achieve a balance between the image capturing speed and resolution. The image capturing speed is relatively low for high-resolution imaging devices, which restricts their applications in high-speed 3D measurements. Therefore, a low-speed-camera-array imaging method for high-speed 3D deformation measurements is proposed. Compared with existing methods using high-speed imaging devices, it has the advantages of low cost and high flexibility achieved by combining low-speed cameras into a stereo camera array high-speed imaging system. In order to achieve accurate 3D measurements, a bundle-adjustment-principle-based system calibration method is proposed. Four experiments, including an accuracy experiment, repeatability experiment, vibration measurement of a plastic board, and out-of-plane displacement measurement of rotating blades, demonstrated the accuracy and effectiveness of the proposed method.

The transparency of two-dimensional (2D) materials to intermolecular interactions of crystalline materials has been an unresolved topic. Here we report that remote atomic interaction through 2D materials is governed by the binding nature, that is, the polarity of atomic bonds, both in the underlying substrates and in 2D material interlayers. Although the potential field from covalent-bonded materials is screened by a monolayer of graphene, that from ionic-bonded materials is strong enough to penetrate through a few layers of graphene. Such field penetration is substantially attenuated by 2D hexagonal boron nitride, which itself has polarization in its atomic bonds. Based on the control of transparency, modulated by the nature of materials as well as interlayer thickness, various types of single-crystalline materials across the periodic table can be epitaxially grown on 2D material-coated substrates. The epitaxial films can subsequently be released as free-standing membranes, which provides unique opportunities for the heterointegration of arbitrary single-crystalline thin films in functional applications.