Materiali intelligenti, l'ultima rivoluzione nel campo della scienza dei materiali, possono adattare le loro proprietà a seconda dei cambiamenti nell'ambiente circostante. Possono essere utilizzati in qualsiasi cosa, dagli schermi dei telefoni cellulari autorigeneranti, alle ali degli aeroplani mutaforma, e somministrazione mirata di farmaci. Fornire farmaci a un bersaglio specifico all'interno del corpo utilizzando materiali intelligenti è particolarmente importante per malattie come il cancro, poiché il materiale intelligente rilascia il carico utile del farmaco solo quando rileva la presenza di una cellula cancerosa, lasciando le cellule sane illese.

Ora, i ricercatori del Center for Advanced 2D Materials (CA2DM) della National University of Singapore (NUS) hanno creato una nuova classe di materiali intelligenti. Ha la struttura di un materiale bidimensionale (2D), ma si comporta come un elettrolita e potrebbe essere un nuovo modo per somministrare farmaci all'interno del corpo.

Proprio come gli elettroliti tradizionali, questi nuovi "elettroliti 2D" dissociano i loro atomi in diversi solventi, e si caricano elettricamente. Per di più, la disposizione di questi materiali può essere controllata da fattori esterni, come pH e temperatura, che è l'ideale per la somministrazione mirata di farmaci. Gli elettroliti 2D sono promettenti anche per altre applicazioni che richiedono che un materiale risponda ai cambiamenti ambientali, come i muscoli artificiali e l'accumulo di energia.

Il team dietro gli elettroliti 2D è guidato dal professor Antonio Castro Neto, Direttore di CA2DM, e comprendeva ricercatori di CA2DM, così come il Dipartimento di Fisica del NUS, e il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali del NUS.

I loro risultati sono stati pubblicati in Materiale avanzato il 12 maggio 2021.

Modificare il comportamento dei materiali 2D

Nella scienza dei materiali, un materiale 2D è un materiale solido che esiste in un singolo strato di atomi. Può essere pensato come un foglio atomicamente sottile che ha un'altezza e una larghezza specifiche, ma effettivamente nessuna profondità, quindi, è essenzialmente bidimensionale. D'altra parte, un elettrolita è una sostanza che produce una sospensione elettricamente conduttiva quando disciolta in un solvente, come l'acqua.

Oggi esistono numerosi materiali 2D, e il comportamento elettrolitico è stato ben stabilito in innumerevoli altri composti. Però, i risultati dei ricercatori NUS mostrano la prima istanza di materiali che hanno sia struttura 2D che proprietà degli elettroliti, con una particolare tendenza a mutare forma reversibilmente in mezzo liquido. Il team NUS ha raggiunto questa impresa utilizzando molecole organiche come specie reattive per aggiungere diverse funzionalità a materiali 2D come il grafene e il bisolfuro di molibdeno (MoS2).

"Aggiungendo diversi gruppi chimici che si caricano elettricamente positivamente o negativamente nei solventi, abbiamo alterato i materiali 2D tradizionali e abbiamo creato una nuova classe di materiali intelligenti le cui proprietà elettroniche sono controllate dalla conformazione morfologica, " ha spiegato il prof Castro Neto.

I metodi utilizzati dai ricercatori per creare elettroliti 2D sono solo alcuni esempi possibili tra molte potenziali opzioni, rendendo questa scoperta una nuova entusiasmante area di ricerca da esplorare.

Da un foglio piatto a una pergamena arrotolata

Un importante passo avanti di questa ricerca è stato il fatto che l'orientamento degli elettroliti 2D potrebbe cambiare in modo reversibile modificando le condizioni esterne. Attualmente, la repulsione elettrica tra la carica superficiale in un materiale 2D porta ad essere steso in un foglio piatto. Alterando il pH, la temperatura, o la concentrazione ionica delle sospensioni, i ricercatori del NUS hanno dimostrato la capacità del foglio di elettrolita 2D di cambiare forma e formare disposizioni simili a rotoli. Questi risultati sperimentali sono supportati da un'analisi teorica dettagliata in cui spiegano il meccanismo fisico alla base della formazione e della stabilità del rotolo.

Questi orientamenti di scorrimento hanno un diametro così piccolo che potrebbero essere descritti come unidimensionali (1D), portando a diverse proprietà fisiche e chimiche. Inoltre, questa transizione da 2D a 1D è reversibile riportando le condizioni esterne ai valori originali

"Si può pensare agli elettroliti 2D come agli analoghi dimensionali superiori degli elettroliti 1D, comunemente noti come polielettroliti, " ha affermato il prof. Castro Neto. Esempi importanti di polielettroliti includono molti materiali biologicamente rilevanti, come DNA e RNA.

"Quando gli acidi, basi, o si aggiungono sali, questi polimeri caricati elettricamente subiscono anche transizioni conformazionali da catene molecolari che sono 1D, a oggetti globulari di 0D, e viceversa. I nostri elettroliti 2D, in analogia con i polielettroliti, mostra transizioni reversibili da 2D a 1D, in funzione di fattori esterni. Come materiali sensibili agli stimoli, sono adatti per la creazione di tecnologia all'avanguardia, " Ha aggiunto.

Prossimi passi

La scoperta di questa classe di materiali ha aperto nuove aree di esplorazione per gli scienziati dei materiali, poiché riunisce due campi di ricerca tradizionalmente slegati, vale a dire, Materiali 2D nel campo della Fisica, ed elettroliti (nel campo dell'elettrochimica).

"Esiste un numero incalcolabile di modi per funzionalizzare il grafene e altri materiali 2D per trasformarli in elettroliti 2D. Speriamo che il nostro lavoro ispiri gli scienziati di diversi campi a esplorare ulteriormente le proprietà e le possibili applicazioni degli elettroliti 2D. Prevediamo che poiché gli elettroliti 2D hanno somiglianze con i sistemi biologici o naturali, sono in grado di autoassemblarsi spontaneamente e reticolarsi per formare nanofibre che sono promettenti per applicazioni in membrane di filtrazione, consegna farmaci, ed e-textile intelligenti, " ha spiegato il prof Castro Neto.