Negli ultimi anni si parla spesso di PFAS, i così detti “forever chemicals” o “sostanze chimiche eterne”, composti molto stabili, formati da catene di carbonio e fluoro che conferiscono ai materiali proprietà idrorepellenti, oleorepellenti e di resistenza al calore. Tra i numerosi ambiti in cui sono impiegati, dalle vernici ai rivestimenti per le pentole, passando per tessuti impermeabili e imballaggi per alimenti, i PFAS sono al centro dell’attenzione anche nel mondo degli sport invernali per il loro impiego nelle cere per il trattamento di sci e tavole da snowboard.

Dalla stagione 2023-2024 la FIS (Federazione Internazionale Sci) e l’IBU (International Biathlon Unit) hanno infatti bandito l’utilizzo di cere fluorate nelle competizioni di sci alpino, snowboard, sci di fondo e biathlon. Il motivo riguarda i pericoli per l’ambiente e per la salute degli operatori a contatto con queste sostanze che, non essendo biodegradabili, si accumulano negli ecosistemi e possono essere assorbite dagli organismi viventi con potenziali gravi conseguenze. 
Per far fronte a questa esigenza, la ricerca punta a sviluppare nuove cere con caratteristiche simili a quelle tradizionali, ovvero in grado di garantire la giusta idrorepellenza e di rispondere in maniera flessibile alle diverse condizioni del manto nevoso, di temperatura e umidità, garantendo una resa ottimale per tutta la durata della competizione.

Anna Rita De Corso, ricercatrice senior del Laboratorio ingegneria dei materiali polimerici (MP) del MEMTi, già nel 2020 ha svolto uno studio di fattibilità (Nanocoating idrofobo e senza fluoro per sci) in collaborazione con l’azienda svizzera KV+ Sagl, specializzata in materiale e abbigliamento per lo sci di fondo.

“Con il nostro studio abbiamo sviluppato nuove formulazioni a partire da prodotti chimici già presenti in commercio, con l’obiettivo di valutarne l’applicabilità concreta. Dopo una prima fase su substrati di polietilene, siamo passati all’applicazione diretta su alcuni sci tramite diverse tecniche di rivestimento, come il layer-by-layer (strato su strato) e la tecnica sol-gel, che trasforma una soluzione liquida (sol) in un gel tridimensionale solido. In particolare, quest’ultimo approccio ha permesso di sviluppare dei film molto sottili e resistenti, privi di composti fluorurati. L’indagine condotta ha fornito dati preliminari molto promettenti, anche se restano da approfondire alcuni aspetti, come le performance del trattamento in diverse condizioni di temperatura e la sua durabilità".


Rivestimento a doppio strato: un primer a base di biossido di titanio (TiO₂) crea una texture rugosa e idrorepellente sulla soletta, migliorando l’adesione del secondo strato in polidimetilsilossano (PDMS), che aumenta ulteriormente l’idrorepellenza scorrevolezza.

Ma da cosa dipende lo scorrimento di uno sci? Un ruolo chiave è giocato dalle interazioni intermolecolari tra il materiale che costituisce la cera e la neve, ossia acqua in particolari condizioni di temperatura e pressione. Minori sono queste interazioni, e quindi minore è l’adesione delle cere alla neve, migliore sarà lo scorrimento. A influenzare le proprietà di adesione intervengono due caratteristiche fondamentali delle cere di rivestimento: la prima di natura fisica legata alla rugosità superficiale, mentre la seconda più chimica associata alla composizione delle cere e al loro grado di repellenza con le molecole d’acqua. 

Come spesso accade, la natura offre spunti preziosi alla ricerca. Esistono infatti superfici naturali, come le foglie di loto, con una particolare rugosità dovuta a una complessa struttura micro e nanoscopica, invisibile all’occhio umano, che garantisce proprietà di idrorepellenza estremamente elevate. Questa struttura fa sì che l’acqua non resti sulla superficie, ma scivoli via facilmente, portando con sé anche sporco e impurità.

Effetto loto: grazie a una rugosità nanometrica, la superficie della foglia diventa superidrofobica e permette all’acqua di scivolare via, rimuovendo sporco e impurità e mantenendo il materiale pulito.

Questo principio è uno dei punti di partenza del progetto Water-, dirt - repelling and long-lasting skis by combining micro- with molecular structuring, finanziato da Innosuisse, che vede la partecipazione del Laboratorio di scienza dei materiali computazionale (CMS) del MEMTi insieme all’Istituto di ingegneria dei materiali e dei processi (IMPE) della ZHAW e a Swiss-ski, la federazione svizzera degli sport invernali. L’obiettivo è trasferire e adattare i meccanismi osservati in natura alla soletta degli sci con l’intento, anche in questo caso, di rendere sempre più efficaci le cere senza fluoro. Una sfida importante perché, pur rappresentando una scelta più ecologica e sostenibile, dal punto di vista delle prestazioni non eguagliano ancora del tutto le vecchie cere tradizionali.

All’interno del progetto, il Laboratorio di rivestimenti polimerici della ZHAW si occupa di sintetizzare le cere partendo da nuove composizioni molecolari e di caratterizzare la loro efficienza una volta applicate. Per selezionare le formulazioni più promettenti vengono valutati parametri come la forma delle gocce di acqua o olio depositate sulle nuove cere, così come la resistenza all’abrasione causata dal contatto ripetuto dello sci sulla neve (leggi la news). Le cere che mostrano le migliori prestazioni vengono poi applicate agli sci da Swiss-ski, che ne verifica l’efficacia direttamente sul terreno. 

Annalisa Cardellini, ricercatrice del Laboratorio CMS del MEMTi, sviluppa invece modelli computazionali che permettono di identificare e comprendere l’insieme delle interazioni tra le molecole delle nuove cere e l’acqua, fornendo indicazioni utili per ottimizzare le formulazioni. “Il nostro contributo è più teorico: partire dalle nuove molecole sintetizzate, dalla loro composizione chimica e configurazione strutturale, studiamo come si comportano a contatto con l’acqua, quali meccanismi di riorganizzazione intermolecolare predominano e quali forze e interazioni entrano in gioco. I risultati di queste analisi aiutano a migliorare ulteriormente le molecole, per ottenere formulazioni sempre più performanti”.

Istantanee di dinamica molecolare di molecole prive di fluoro e a base di fluoro. Le singole molecole e le configurazioni di rivestimento per sci sono riportate rispettivamente in alto e in basso.

In uno sport come lo sci, fatto di testa, cuore ma anche di centesimi, ogni dettaglio può davvero fare la differenza. Oltre alla preparazione delle atlete e degli atleti, dietro ogni gara c’è un lungo e paziente lavoro di ricerca, fatto di studi sui materiali, simulazioni, test e prove. L’auspicio è che nei prossimi anni questo impegno permetta di sviluppare soluzioni sempre più performanti e al tempo stesso sostenibili, capaci di coniugare rispetto per l’ambiente e alte prestazioni. Poi, come sempre, sulla neve sarà il talento degli atleti a trasformare tutto questo in risultati.