I ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer PSI e dell'ETH di Zurigo hanno sviluppato un nuovo materiale che mantiene una determinata forma quando viene immerso in un campo magnetico. È un materiale composito costituito da due componenti. A differenza dei precedenti materiali a memoria di forma, è costituito da un polimero e da goccioline incorporate di un cosiddetto fluido magnetoreologico. Le aree di applicazione di questo nuovo tipo di materiale composito includono la medicina, aerospaziale, elettronica e robotica. I ricercatori stanno ora pubblicando i loro risultati sulla rivista scientifica Materiale avanzato .

Sembra un trucco di magia:un magnete si allontana da un nero, fascia attorcigliata e la fascia si rilassa senza ulteriori effetti (vedi video). Ciò che sembra magia può essere spiegato dal magnetismo. Il nastro nero è costituito da un composito di due componenti:un polimero a base di silicone e piccole goccioline di acqua e glicerina in cui galleggiano minuscole particelle di ferro carbonile. Questi ultimi forniscono le proprietà magnetiche del materiale e la sua memoria di forma. Se il materiale composito viene forzato in una certa forma con una pinzetta e quindi esposto a un campo magnetico, mantiene la sua forma, anche quando le pinzette vengono rimosse. Solo quando viene rimosso anche il campo magnetico, il materiale ritorna alla sua forma originale.

Finora, materiali comparabili sono costituiti da un polimero e particelle metalliche incorporate. Anziché, i ricercatori del PSI e dell'ETH di Zurigo hanno usato goccioline di acqua e glicerina per inserire le particelle magnetiche nel polimero. In questo modo, producevano una dispersione simile a quella che si trova nel latte. Nel latte, minuscole goccioline di grasso sono finemente disperse in una soluzione acquosa. Questi sono essenzialmente responsabili del colore bianco.

Allo stesso modo, le goccioline del liquido magnetoreologico si distribuiscono finemente nel nuovo materiale. "Poiché la fase magneticamente sensibile dispersa nel polimero è un liquido, le forze generate quando viene applicato un campo magnetico sono molto più grandi di quanto riportato in precedenza, " spiega Laura Heyderman, capo del Mesoscopic Systems Group al PSI e professore all'ETH di Zurigo. Se un campo magnetico agisce sul materiale composito, si irrigidisce. "Questo nuovo concetto di materiale poteva nascere solo attraverso il lavoro di squadra tra gruppi con competenze provenienti da due aree completamente diverse:materiali magnetici e morbidi, "dice Heydermann.

Memoria di forma attraverso l'allineamento con il campo magnetico

I ricercatori hanno studiato il nuovo materiale con l'aiuto della Swiss Light Source SLS al PSI, tra l'altro. Con le immagini tomografiche a raggi X prodotte con questa sorgente luminosa, hanno scoperto che la lunghezza delle goccioline nel polimero aumenta sotto l'influenza di un campo magnetico e che le particelle di ferro carbonile nel liquido si allineano almeno parzialmente lungo le linee del campo magnetico. Questi due fattori aumentano la rigidità del materiale testato fino a 30 volte.

Il fatto che la memoria di forma del nuovo materiale sia attivata da campi magnetici offre ulteriori vantaggi oltre alla forza maggiore. La maggior parte dei materiali a memoria di forma reagisce ai cambiamenti di temperatura. Nelle applicazioni mediche, di conseguenza sorgono due problemi. Primo, il calore eccessivo danneggia le cellule del corpo. Secondo, non sempre è possibile garantire un riscaldamento uniforme di un oggetto che ne ricorda la forma. Entrambi gli svantaggi possono essere evitati accendendo la memoria di forma con un campo magnetico.

Materiali meccanicamente attivi per la medicina e la robotica

"Con il nostro nuovo materiale composito, abbiamo compiuto un altro passo importante verso la semplificazione dei componenti in un'ampia gamma di applicazioni come la medicina e la robotica, " afferma Paolo Testa dell'ETH di Zurigo e dello scienziato dei materiali PSI, primo autore dello studio. "Il nostro lavoro serve quindi come punto di partenza per una nuova classe di materiali meccanicamente attivi".

Numerose applicazioni in medicina, volo spaziale, elettronica, e la robotica sono concepibili per i materiali a memoria di forma. Per esempio, cateteri che cambiano rigidità quando vengono spinti attraverso i vasi sanguigni verso il sito chirurgico durante le operazioni minimamente invasive. Nell'esplorazione dello spazio, i materiali a memoria di forma sono richiesti per pneumatici per veicoli rover che si gonfiano o si ripiegano da soli. Nell'elettronica, materiali funzionali morbidi potrebbero essere impiegati in cavi flessibili di alimentazione o dati in dispositivi indossabili e in robot in grado di eseguire movimenti meccanici senza motore.