Dal DNA al “vetro super resistente”: il materiale ispirato a Iron Man che supera l’acciaio

Sotto il microscopio sembra quasi un’impalcatura in miniatura: travi sottilissime, grandi vuoti e una struttura tridimensionale che, quando viene compressa, regge carichi sorprendenti. Per costruirla i ricercatori sono partiti da un materiale che normalmente associamo a tutt’altro, il DNA, usandolo per dare forma a un reticolo poi rivestito di silice, il principale componente del vetro. Il risultato è un nanomateriale che, nei test pubblicati su Cell Reports Physical Science, ha mostrato un rapporto tra peso e resistenza fuori dal comune.

Il paragone che inevitabilmente ha fatto il giro del mondo è quello con l’acciaio. Secondo i ricercatori dell’Università del Connecticut, della Columbia University e del Brookhaven National Laboratory, le nanostrutture ottenute hanno una resistenza circa quattro volte superiore e una densità circa cinque volte inferiore rispetto all’acciaio. Se avete letto da qualche parte cinque volte più resistente e quattro volte più leggero, i numeri sono stati semplicemente scambiati.

E sì, in questa storia c’entra persino Iron Man. Oleg Gang, tra gli autori dello studio, ha spiegato di aver pensato proprio all’armatura del supereroe: abbastanza leggera da permettergli di volare e abbastanza resistente da non trasformarlo in una costosissima lattina al primo colpo. L’armatura, comunque, può aspettare. Il materiale esiste ancora su scale di pochi micrometri.

Perché il vetro smette di comportarsi come il vetro che conosciamo

La parte interessante comincia proprio dal materiale apparentemente meno adatto. Il vetro macroscopico si rompe facilmente perché crepe, graffi e altri difetti concentrano le sollecitazioni fino alla frattura. Riducendo drasticamente le dimensioni cambia parecchio: elementi di silice spessi appena pochi nanometri hanno molte meno probabilità di contenere difetti critici e possono avvicinarsi alla resistenza teorica del materiale. Il problema, semmai, è costruire qualcosa di complesso con elementi così piccoli.

Così i ricercatori hanno realizzato tramite DNA origami strutture che si autoassemblano secondo una geometria programmata. Una specie di ponteggio molecolare, con una precisione che le normali tecniche di stampa tridimensionale faticano a raggiungere sotto alcune decine di nanometri. Su questo scheletro è stata fatta crescere una sottilissima copertura di silice. Nello studio del 2023 gli elementi strutturali ottenuti avevano spessori nell’ordine di 4-20 nanometri.

La geometria fa buona parte del lavoro. Il reticolo contiene moltissimo spazio vuoto e quindi poca materia, mentre le sottilissime travi di silice sfruttano la loro elevata resistenza alla scala nanometrica. È uno di quei casi in cui togliere materiale, se lo si toglie nei posti giusti, può rendere la struttura molto più interessante.

Prima delle prove meccaniche, inoltre, le strutture del primo studio sono state sottoposte a trattamento termico. Il DNA ha quindi svolto soprattutto il ruolo di stampo programmabile per ottenere l’architettura della silice, anziché essere il componente responsabile delle proprietà finali del reticolo testato.

Dal primo esperimento il DNA ha smesso di essere soltanto uno stampo

La storia, però, non si è fermata al lavoro pubblicato nel 2023. Nel 2024 un altro gruppo ha costruito reticoli ottagonali e allungati di DNA rivestiti con strati di silice sottili fino a circa 1,65 nanometri. In quel caso il DNA è rimasto all’interno delle strutture. Le simulazioni molecolari hanno indicato qualcosa di curioso: il nucleo di DNA può aiutare a ritardare il collasso delle minuscole travi, limitandone l’instabilità e permettendo alla struttura di assorbire più energia prima di cedere. Lo studio è stato pubblicato su Matter.

Il DNA, quindi, può fare più del geometra che disegna il ponteggio e poi se ne va. In determinate configurazioni può rimanere dentro e contribuire al comportamento meccanico del materiale.

Nello stesso anno il gruppo di Gang ha allargato ancora il gioco. In uno studio su Science Advances, le strutture programmate con il DNA sono state usate per ottenere architetture tridimensionali contenenti metalli, ossidi metallici e semiconduttori, tra cui rame, zinco, alluminio, tungsteno, indio, stagno e platino. Il DNA comincia così ad assomigliare a una piattaforma di costruzione, capace di stabilire dove dovranno trovarsi materiali molto diversi con una precisione difficile da ottenere attraverso le lavorazioni convenzionali.

Il problema adesso è farlo diventare grande

Tra un reticolo largo qualche micrometro e una portiera d’automobile corre una distanza industriale abbastanza evidente. Costi, quantità di DNA necessarie, tempi di assemblaggio e integrazione con i normali processi produttivi rimangono ostacoli sostanziali. Lo stesso Gang, già presentando il primo lavoro, avvertiva che sarebbe servita ancora molta ricerca prima di trasformare questo metodo in una tecnologia utilizzabile.

Qualche centimetro nella direzione giusta, però, è stato fatto. Nel 2025 il gruppo ha mostrato su Nature Communications come far crescere reticoli tridimensionali programmati dal DNA soltanto nelle zone desiderate di wafer di silicio e superfici rivestite con diversi ossidi metallici. Le strutture sono state organizzate in motivi larghi decine di micrometri su aree complessive di circa 10 millimetri quadrati.

I ricercatori sono riusciti persino a disporle secondo forme prestabilite e a incorporare nanoparticelle d’oro e proteine in punti definiti della struttura. Qui l’obiettivo si sposta dalla semplice dimostrazione di un materiale eccezionalmente resistente alla possibilità di integrare queste architetture in dispositivi ottici, elettronici e sensori.

Dunque niente armature da supereroe appese negli armadi dei laboratori, almeno per ora. Tuttavia, la parte meno cinematografica è anche quella scientificamente più interessante: il DNA sta diventando uno strumento per costruire materiali, permettendo di progettare geometrie a scale dove frese, stampanti e lavorazioni tradizionali cominciano ad avere le mani decisamente troppo grosse.