Il progetto della natura per l'arto umano è una struttura accuratamente stratificata con ossa rigide avvolte in strati di diversi tessuti molli, come muscoli e pelle, tutti legati l'uno all'altro perfettamente. Raggiungere questo tipo di sofisticatezza utilizzando materiali sintetici per costruire parti robotiche di ispirazione biologica o multicomponente, macchine complesse è stata una sfida ingegneristica.

Modificando la chimica di un singolo polimero, i ricercatori della Texas A&M University e del laboratorio di ricerca dell'esercito del comando di sviluppo delle capacità di combattimento dell'esercito degli Stati Uniti hanno creato un'intera famiglia di materiali sintetici che variano nella trama da ultra-morbido a estremamente rigido. I ricercatori hanno affermato che i loro materiali sono stampabili in 3D, autoguarigione, riciclabili e aderiscono naturalmente tra loro in aria o sott'acqua.

I loro risultati sono dettagliati nel numero di maggio della rivista Materiali funzionali avanzati .

"Abbiamo creato un entusiasmante gruppo di materiali le cui proprietà possono essere ottimizzate per ottenere la morbidezza della gomma o la resistenza delle plastiche portanti, " ha detto la dottoressa Svetlana Sukhishvili, professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali e un corrispondente autore dello studio. "Le altre loro caratteristiche desiderabili, come la stampabilità 3D e la capacità di auto-guarigione in pochi secondi, renderli adatti non solo a protesi più realistiche e robotica morbida, ma è anche ideale per ampie applicazioni militari come piattaforme agili per veicoli aerei e futuristiche ali di velivoli autorigeneranti."

I polimeri sintetici sono costituiti da lunghe stringhe di motivi molecolari ripetuti, come perline su una catena. Nei polimeri elastomerici, o elastomeri, queste lunghe catene sono leggermente reticolate, conferendo ai materiali una qualità gommosa. Però, tali reticolazioni possono essere utilizzate anche per rendere più rigidi gli elastomeri aumentando il numero delle reticolazioni.

Sebbene studi precedenti abbiano manipolato la densità dei legami incrociati per rendere gli elastomeri più rigidi, la risultante variazione della resistenza meccanica era generalmente permanente.

"I collegamenti incrociati sono come i punti in un pezzo di stoffa, più punti hai, più il materiale diventa rigido e viceversa, " disse Sukhishvili. "Ma invece di avere questi 'punti' permanenti, volevamo ottenere una reticolazione dinamica e reversibile in modo da poter creare materiali riciclabili."

Così, i ricercatori hanno concentrato la loro attenzione sulle molecole coinvolte nella reticolazione. Primo, hanno scelto un polimero genitore, chiamato prepolimero, e poi ha tempestato chimicamente queste catene di prepolimeri con due tipi di piccole molecole reticolanti:furano e maleimmide. Aumentando il numero di queste molecole nel prepolimero, hanno scoperto che potevano creare materiali più rigidi. In questo modo, il materiale più duro che hanno creato era 1, 000 volte più forte del più morbido.

Però, questi legami incrociati sono anche reversibili. Furano e maleimmide partecipano a un tipo di legame chimico reversibile. In poche parole, in questa reazione, le coppie furano e maleimmide possono "fare clic" e "sbloccare" a seconda della temperatura. Quando la temperatura è abbastanza alta, queste molecole si staccano dalle catene polimeriche e i materiali si ammorbidiscono. A temperatura ambiente, i materiali si induriscono poiché le molecole tornano rapidamente insieme, ancora una volta formando legami incrociati. Così, se ci sono strappi in questi materiali a temperatura ambiente, i ricercatori hanno dimostrato che furano e maleimmide ri-click automaticamente, guarire il divario in pochi secondi.

I ricercatori hanno notato che le temperature alle quali i reticolanti si dissociano o si staccano dalle catene del prepolimero sono relativamente le stesse per diversi livelli di rigidità. Questa proprietà è utile per la stampa 3D con questi materiali. Indipendentemente dal fatto che siano morbidi o duri, i materiali possono essere fusi alla stessa temperatura e quindi utilizzati come inchiostro da stampa.

"Modificando l'hardware e i parametri di elaborazione in una stampante 3D standard, siamo stati in grado di utilizzare i nostri materiali per stampare oggetti 3D complessi strato per strato, " ha detto il dottor Frank Gardaa, ingegnere di ricerca nel laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti e un corrispondente autore dello studio. "Il vantaggio unico dei nostri materiali è che gli strati che compongono la parte 3D possono avere una rigidità molto diversa".

Quando la parte 3D si raffredda a temperatura ambiente, ha aggiunto che i diversi strati si uniscono perfettamente, precludendo la necessità di polimerizzazione o qualsiasi altro trattamento chimico. Di conseguenza, le parti stampate in 3D possono essere facilmente fuse utilizzando un calore elevato e quindi riciclate come inchiostro da stampa. I ricercatori hanno anche notato che i loro materiali sono riprogrammabili. In altre parole, dopo essere stato impostato in una forma, possono essere fatti cambiare in una forma diversa usando solo il calore.

Nel futuro, i ricercatori hanno in programma di aumentare la funzionalità dei loro nuovi materiali amplificando le sue proprietà multiformi delineate nell'attuale studio.

"Proprio adesso, possiamo facilmente raggiungere circa l'80% di autoguarigione a temperatura ambiente, ma vorremmo raggiungere il 100%. Anche, vogliamo rendere i nostri materiali sensibili ad altri stimoli diversi dalla temperatura, come luce, — disse Gardaa. — Più avanti lungo la strada, vorremmo esplorare l'introduzione di un'intelligenza di basso livello in modo che questi materiali sappiano adattarsi autonomamente senza bisogno di un utente per avviare il processo".