Gli incidenti accadono ogni giorno e se il tuo smartwatch cade o subisce un forte impatto, il dispositivo probabilmente non funzionerà più. Ma ora, i ricercatori hanno sviluppato un materiale morbido e flessibile con ”durabilità adattiva”, il che significa che diventa più forte quando viene colpito o stirato. Il materiale conduce anche l’elettricità, rendendolo ideale per la prossima generazione di dispositivi indossabili o sensori medici personalizzati.
I ricercatori hanno presentato i loro risultati alla riunione primaverile della American Chemical Society (ACS). ACS Spring 2024 è un incontro ibrido che si svolge virtualmente e di persona dal 17 al 21 marzo; presenta quasi 12.000 presentazioni su una vasta gamma di argomenti scientifici.
L’ispirazione per il nuovo materiale è venuta da una miscela comunemente utilizzata in cucina: una sospensione di amido di mais.
“Quando mescolo lentamente amido di mais e acqua, il cucchiaio si muove facilmente”, spiega Yue (Jessica) Wang, scienziata dei materiali e principale investigatrice del progetto. “Ma se sollevo il cucchiaio e poi lo infilzo nella miscela, il cucchiaio non rientra. È come infilzare una superficie dura”. Questa sospensione, che aiuta ad addensare stufati e salse, ha una durabilità adattiva, passando da malleabile a forte, a seconda della forza applicata. Il team di Wang si è prefissato di imitare questa proprietà in un materiale solido conduttore.
Molti materiali, come i metalli, che conducono l’elettricità sono duri, rigidi o fragili. Ma i ricercatori hanno sviluppato modi per rendere le versioni morbide e pieghevoli utilizzando polimeri coniugati – molecole lunghe e simili a spaghetti che sono conduttive. Tuttavia, la maggior parte dei polimeri flessibili si rompe se subiscono impatti ripetuti, rapidi o di grande entità. Quindi, il team di Wang presso l’Università della California, Merced, si è prefissato di selezionare la giusta combinazione di polimeri coniugati per creare un materiale durevole che imitasse il comportamento adattivo delle particelle di amido di mais in acqua.
Inizialmente, i ricercatori hanno realizzato una soluzione acquosa di quattro polimeri: acido (acrilammido-metilpropanosulfonico) lungo e simile a spaghetti, molecole di polianilina più corte e una combinazione altamente conduttiva nota come etilenediossitiofene e polistirene solfonato (PEDOT:PSS). Dopo aver steso uno strato sottile della miscela e averla asciugata per realizzare un film, il team ha testato le proprietà meccaniche del materiale elastico.
Hanno scoperto che, piuttosto che rompersi a causa di impatti molto rapidi, si deformava o si allungava. Più veloce era l’impatto, più il film diventava elastico e resistente. E sorprendentemente, solo il 10% di aggiunta di PEDOT:PSS ha migliorato sia la conduttività del materiale che la sua durabilità adattiva. Wang osserva che questo risultato è stato inaspettato perché, da soli, PEDOT e PSS non diventano più resistenti con impatti rapidi o elevati.
I quattro polimeri, due con cariche positive e due con cariche negative, si aggrovigliano come una grande ciotola di spaghetti e polpette, spiega Di Wu, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Wang che presenta il lavoro all’incontro. “Poiché le molecole caricate positivamente non amano l’acqua, si aggregano in microstrutture simili a polpette”, dice Wu. L’ipotesi del team è che il comportamento adattivo derivi dalle polpette che assorbono l’energia di un impatto e si appiattiscono quando colpite, ma non si dividono completamente.
Tuttavia, Wu voleva vedere come l’aggiunta di piccole molecole potesse creare un materiale composito ancora più resistente quando stirato o lasciato cadere rapidamente. Poiché tutti i polimeri avevano cariche, il team ha scelto molecole con cariche positive, negative o neutre da testare. Poi hanno valutato come gli additivi modificassero le interazioni dei polimeri e influenzassero la durabilità adattiva di ciascun materiale.
I risultati preliminari hanno indicato che le nanoparticelle caricate positivamente fatte di 1,3-propanediamina erano l’additivo migliore, conferendo la massima funzionalità adattiva. Wu dice che questo additivo ha indebolito le interazioni dei polimeri che formano le “polpette”, rendendole più facili da spingere e deformare quando colpite, e ha rafforzato le “stringhe di spaghetti” strettamente intrecciate. “Aggiungendo le molecole caricate positivamente al nostro materiale, lo abbiamo reso ancora più forte a tassi di allungamento più elevati”, afferma Wu.
In futuro, Wang dice, il team si concentrerà sulla dimostrazione dell’applicabilità del loro materiale conduttivo leggero. Le possibilità includono dispositivi indossabili morbidi, come fasce integrate e sensori posteriori per smartwatch, ed elettronica flessibile per il monitoraggio della salute, come sensori cardiovascolari o monitor continui della glicemia. Inoltre, il team ha formulato una versione precedente del materiale adattivo per la stampa 3D e ha prodotto una replica della mano di un membro del team, dimostrando il potenziale inserimento in protesi elettroniche personalizzate. Wang ritiene che anche la nuova versione composita dovrebbe essere compatibile con la stampa 3D per realizzare qualsiasi forma desiderata.
La durabilità adattiva del materiale significa che i futuri dispositivi biosensori potrebbero essere abbastanza flessibili per il movimento umano regolare ma resistere ai danni se vengono accidentalmente urtati o colpiti duramente, spiega Wang. “Ci sono una serie di applicazioni potenziali e siamo entusiasti di vedere dove ci porterà questa nuova proprietà non convenzionale”.
La ricerca è stata finanziata dall’Università della California, Merced; una borsa di studio CAREER della National Science Foundation; e un premio Young Investigator della Arnold and Mabel Beckman Foundation.