Ogni strumento umano complesso, dalla prima lancia all'ultimo smartphone, ha contenuto più materiali incastrati, legato, avvitato, incollati o saldati insieme. Ma la prossima generazione di strumenti, da robot squishy autonomi a indossabili flessibili, sarà morbido. La combinazione di più materiali morbidi in una macchina complessa richiede una cassetta degli attrezzi completamente nuova, dopo tutto, non esiste una vite morbida.

I metodi attuali per combinare materiali morbidi sono limitati, affidandosi a colle o trattamenti superficiali che possono restringere il processo produttivo. Per esempio, non ha molto senso applicare la colla o eseguire un trattamento superficiale prima che ogni goccia di inchiostro cada durante una sessione di stampa 3D. Ma ora, i ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno sviluppato un nuovo metodo per legare chimicamente più materiali morbidi indipendentemente dal processo di produzione. In linea di principio, il metodo può essere applicato in qualsiasi processo produttivo, inclusi ma stampa 3D e rivestimento. Questa tecnica apre le porte alla produzione di macchine morbide più complesse.

La ricerca è pubblicata su Comunicazioni sulla natura .

"Questa tecnica ci consente di legare vari idrogel ed elastomeri in vari processi di produzione senza sacrificare le proprietà dei materiali, " disse Qihan Liu, un borsista post-dottorato presso SEAS e co-primo autore del documento. "Ci auguriamo che questo apra la strada alla prototipazione rapida e alla produzione di massa di dispositivi morbidi biomimetici per l'assistenza sanitaria, moda e realtà aumentata."

I ricercatori si sono concentrati sui due elementi costitutivi più utilizzati per i dispositivi soft, idrogel (conduttori) ed elastomeri (isolanti). Per combinare i materiali, il team ha miscelato agenti di accoppiamento chimici nei precursori sia degli idrogel che degli elastomeri. Gli agenti di accoppiamento sembrano mani molecolari con piccole code. Quando i precursori si formano in reti materiali, la coda degli agenti di accoppiamento si attacca alle reti polimeriche, mentre la mano rimane aperta. Quando l'idrogel e l'elastomero sono combinati nel processo di fabbricazione, le mani libere si allungano oltre il confine materiale e si agitano, creando legami chimici tra i due materiali. I tempi della "stretta di mano" possono essere regolati da molteplici fattori come temperatura e catalizzatori, consentendo diverse quantità di tempo di produzione prima che avvenga l'incollaggio.

I ricercatori hanno dimostrato che il metodo può unire due pezzi di materiali colati come la colla, ma senza applicare uno strato di colla sull'interfaccia. Il metodo consente anche il rivestimento e la stampa di diversi materiali morbidi in diverse sequenze. In tutti i casi, l'idrogel e l'elastomero hanno creato un forte, legame chimico di lunga durata.

"La produzione di dispositivi morbidi prevede diversi modi per integrare idrogel ed elastomeri, compreso l'attaccamento diretto, colata, Rivestimento, e stampa, " disse Canhui Yang, un borsista post-dottorato presso SEAS e co-primo autore del documento. "Mentre ogni metodo attuale consente solo due o tre metodi di produzione, la nostra nuova tecnica è versatile e consente tutti i vari modi per integrare i materiali."

I ricercatori hanno anche dimostrato che gli idrogel, che come suggerisce il nome sono principalmente acqua, possono essere resi resistenti al calore ad alte temperature utilizzando un rivestimento adesivo, estendendo l'intervallo di temperatura che il dispositivo a base di idrogel può essere utilizzato. Per esempio, un dispositivo indossabile a base di idrogel ora può essere stirato senza bollire.

"Diverse scoperte recenti hanno dimostrato che gli idrogel possono abilitare dispositivi elettrici ben oltre quanto precedentemente immaginato, " disse Zhigang Suo, Allen E. e Marilyn M. Puckett Professore di Meccanica e Materiali presso SEAS e autore senior dell'articolo. "Questi dispositivi imitano le funzioni dei muscoli, pelle, e assone. Come i circuiti integrati nella microelettronica, questi dispositivi funzionano integrando materiali dissimili. Questo lavoro consente una forte adesione tra materiali morbidi in vari processi di produzione. È concepibile che i materiali morbidi integrati consentiranno touchpad e display simili allo spandex che si possono indossare, lavare, e ferro."