Il cervello è morbido e l'elettronica è rigida, che può rendere la combinazione dei due impegnativa, come quando i neuroscienziati impiantano elettrodi per misurare l'attività cerebrale e forse fornire piccole scosse di elettricità per alleviare il dolore o per altri scopi.

L'ingegnere chimico Zhenan Bao sta cercando di cambiare le cose. Da più di un decennio, il suo laboratorio ha lavorato per rendere l'elettronica morbida e flessibile in modo che si sentano e funzionino quasi come una seconda pelle. Lungo la strada, il team ha iniziato a concentrarsi sul rendere più elastiche le plastiche fragili in grado di condurre l'elettricità.

Ora in Progressi scientifici , Il team di Bao descrive come hanno preso una plastica così fragile e l'hanno modificata chimicamente per renderla flessibile come un elastico, mentre migliora leggermente la sua conduttività elettrica. Il risultato è un morbido, elettrodo flessibile compatibile con i nostri nervi flessibili e sensibili.

"Questo elettrodo flessibile apre molte novità, possibilità entusiasmanti lungo la strada per le interfacce cerebrali e altri dispositivi elettronici impiantabili, " disse Bao, un professore di ingegneria chimica. "Qui, abbiamo un nuovo materiale con prestazioni elettriche senza compromessi e un'elevata elasticità."

Il materiale è ancora un prototipo di laboratorio, ma il team spera di svilupparlo come parte della loro attenzione a lungo termine sulla creazione di materiali flessibili che si interfacciano con il corpo umano.

Interfaccia flessibile

Gli elettrodi sono fondamentali per l'elettronica. Condurre elettricità, questi fili portano avanti e indietro segnali che consentono ai diversi componenti di un dispositivo di lavorare insieme. Nel nostro cervello, speciali fibre filiformi chiamate assoni svolgono un ruolo simile, trasmissione di impulsi elettrici tra neuroni. La plastica estensibile di Bao è progettata per creare una connessione più fluida tra il rigido mondo dell'elettronica e gli elettrodi organici flessibili nei nostri corpi.

"Una cosa del cervello umano che molte persone non sanno è che cambia volume durante il giorno, ", afferma il ricercatore post-dottorato Yue Wang, il primo autore sulla carta. "Si gonfia e si sgonfia." L'attuale generazione di impianti elettronici non può allungarsi e contrarsi con il cervello e rendere complicato mantenere una buona connessione.

"Se abbiamo un elettrodo con una morbidezza simile a quella del cervello, formerà un'interfaccia migliore, " ha detto Wang.

Per creare questo elettrodo flessibile, i ricercatori sono partiti da una plastica che aveva due qualità essenziali:alta conducibilità e biocompatibilità, il che significa che potrebbe essere portato a contatto con il corpo umano in sicurezza. Ma questa plastica aveva un difetto:era molto fragile. Allungarlo anche del 5 percento lo romperebbe.

Strettamente avvolto e fragile

Poiché Bao e il suo team hanno cercato di preservare la conduttività aggiungendo flessibilità, hanno lavorato con gli scienziati dello SLAC National Accelerator Laboratory per utilizzare un tipo speciale di raggi X per studiare questo materiale a livello molecolare. Tutte le materie plastiche sono polimeri; questo è, catene di molecole legate insieme come perline. La plastica in questo esperimento era in realtà costituita da due diversi polimeri strettamente avvolti insieme. Uno era il conduttore elettrico. L'altro polimero era essenziale per il processo di fabbricazione della plastica. Quando questi due polimeri si sono combinati hanno creato una plastica che era come un filo di fragile, strutture a forma di sfera. era conduttivo, ma non flessibile.

I ricercatori hanno ipotizzato che se potessero trovare il giusto additivo molecolare per separare questi due polimeri strettamente avvolti, potrebbero impedire questa cristallizzazione e conferire maggiore elasticità alla plastica. Ma dovevano stare attenti:l'aggiunta di materiale a un conduttore di solito indebolisce la sua capacità di trasmettere segnali elettrici.

Dopo aver testato più di 20 diversi additivi molecolari, hanno finalmente trovato uno che ha fatto il trucco. Era una molecola simile al tipo di additivi usati per addensare le zuppe nelle cucine industriali. Questo additivo ha trasformato la struttura molecolare grossa e fragile della plastica in un motivo a rete con fori nei fili per consentire al materiale di allungarsi e deformarsi. Quando hanno testato l'elasticità del loro nuovo materiale, furono felici di scoprire che diventava leggermente più conduttivo quando si allungava al doppio della sua lunghezza originale. La plastica è rimasta molto conduttiva anche quando si è allungata dell'800 percento rispetto alla sua lunghezza originale.

"Abbiamo pensato che se aggiungiamo materiale isolante, otterremmo una conduttività davvero scarsa, soprattutto quando abbiamo aggiunto così tanto, " disse Bao. Ma grazie alla loro precisa comprensione di come sintonizzare l'assemblaggio molecolare, i ricercatori hanno ottenuto il meglio da entrambi i mondi:la più alta conduttività possibile per la plastica, trasformandola allo stesso tempo in una sostanza molto robusta ed elastica.

"Capendo l'interazione a livello molecolare, possiamo sviluppare componenti elettronici morbidi ed elastici come la pelle, pur rimanendo conduttivo, " dice Wang.