Il nuovo materiale che si autorigenera come Wolverine (VIDEO)

Potrà essere utilizzato per muscoli artificiali, robot che si riparano da soli, batterie e dispositivi elettronici

[30 dicembre 2016]

Ricercatori delle università statunitensi della California Riverside (Ucr) e del Colorado Boulder e della South China University of Technology, hanno realizzato un  materiale conduttivo, autorigenerante, trasparente e altamente flessibile che può essere attivato elettricamente. I risultati di questa ricerca sono stati presentati nello studio “A Transparent, Self-Healing, Highly Stretchable Ionic Conductor”, pubblicato su Advanced Material, e gli scienziati dell’Ucr sottolineano che «è la prima volta che è stato realizzato un conduttore ionico, il che significa che gli ioni possono passare attraverso un materiale che sia trasparente, meccanicamente estensibile e autorigenerante».

Le potenziali applicazioni di questo materiale che si comporta come il supereroe della Marvel  Wolwerine sono molte: potrebbe consentire ai robot di auto-ripararsi dopo un guasto meccanico, estendere la durata delle batterie agli ioni di litio utilizzate nell’elettronica e nelle auto elettriche e migliorare biosensori utilizzati in campo medico e per il il monitoraggio ambientale.

Una delle autrici dello studio, Chao Wang, una chimica che lavora sia per l’Ucr che per la South China University of Technology, evidenzia  che «Per anni,  la creazione di un materiale con tutte queste proprietà ha rappresentato un rompicapo. Ce l’abbiamo fatta e ora stiamo solo iniziando a esplorarne le applicazioni». Questo progetto sino-americano unisce la ricerca sui materiali di autorigeneranti e i  conduttori ionici e all’università della California Riverside spiegano che «Ispirati dalla guarigione delle ferite in natura, i materiali autorigeneranti riparano i danni causati dall’usura, prolungano la vita e  riducono i costi, di materiali e dei dispositivi». L’interesse della Chao Wang per i materiali di autorigeneranti si deve proprio alla sua passione per Wolverine, il supereroe dei fumetti diventato anche una star del cinema che ha poteri autogenerativi praticamente illimitati

I conduttori ionici sono una classe di materiali che svolgono ruoli essenziali nello stoccaggio di energia, nella conversione dell’energia solare, nei sensori e nei dispositivi elettronici e un altro autore dello studio, Christoph Keplinger, dell’università del Colorado Boulder,aveva già dimostrato che  conduttori ionici estensibili e trasparenti possono essere utilizzati per alimentare muscoli artificiali e creare altoparlanti trasparenti (vedi video), dispositivi che hanno molte delle proprietà chiave del nuovo materiale (trasparenza, elevata elasticità e conducibilità ionica), ma nessuno di questi dispositivi aveva anche la capacità di autorigenerarsi dopo aver subito danni meccanici.

I ricercatori spiegano che «La principale difficoltà è l’identificazione dei legami che sono stabili e reversibili nelle condizioni elettrochimiche. Convenzionalmente, i polimeri autorigeneranti fanno uso di legami non covalenti, il che crea un problema perché tali legami sono influenzati dalle reazioni elettrochimiche che degradano le prestazioni dei materiali».

La Chao ha risolto il problema utilizzando un meccanismo chiamato interazione ione-dipolo, che si hanno quando si solubilizza un composto ionico (ad esempio un sale) in un solvente polare (ad esempio l’acqua) e che produce forze altamente stabile in date condizioni elettrochimiche. Combinando un polimero elastico con un sale, la Chao è riuscita a creare il materiale con le proprietà che i ricercatori stavano cercando: basso costo, facile da produrre, gommoso, morbido e che si può allungare di 50 volte rispetto alla sua lunghezza originale. Dopo essere stato tagliato si può ricongiungere oppure rigenerarsi, in 24 ore a temperatura ambiente. Infatti, dopo solo cinque minuti di dall’autorigenerazione il materiale Wolverine può essere allungato due volte la sua lunghezza iniziale.

Timothy Morrissey ed Eric Acome, due studenti che lavorano con Keplinger, hanno dimostrato che il materiale potrebbe essere utilizzato per alimentare un cosiddetto muscolo artificiale: un attuatore elastomero dielettrico.  I ricercatori infatti precisano che «Muscolo artificiale è un termine generico usato per i materiali o dispositivi che possono contrarsi, espandersi o ruotare reversibilmente grazie a uno stimolo esterno, come la tensione, la corrente, la pressione o la temperatura. L’attuatore elastomero dielettrico è in realtà composto da tre singoli pezzi di polimeri che sono assemblati insieme. Gli strati superiore e inferiore sono composti con il nuovo materiale sviluppato presso l’UC Riverside, che è in grado di condurre elettricità ed è autorigenerante, e lo strato centrale è una membrana trasparente gommosa non conduttiva».

Per far muovere il muscolo artificiale i ricercatori sino-americani hanno utilizzato dei segnali elettrici e spiegano ancora: «Così, proprio come un muscolo umano (ad esempio un bicipite) si sposta quando il cervello invia un segnale al braccio, anche il muscolo artificiale reagisce quando riceve un segnale».  E, cosa più importante, gli scienziato sono stati in grado di dimostrare che la capacità del nuovo materiale di autorigenerarsi può essere utilizzata per simulare una funzione essenziale per la sopravvivenza in natura: la cicatrizzazione. Dopo che le parti del muscolo artificiale sono state tagliate in due pezzi distinti, il materiale è “guarito” senza dipendere da stimoli esterni e il muscolo artificiale è ritornato allo stesso livello di prestazioni prima di essere tagliato. Proprio come Wolverine.

Videogallery

  • 2016 UCR Today A Wolverine Inspired Material

  • Transparent loudspeaker | Harvard School of Engineering and Applied Sciences