Gli incidenti accadono ogni giorno e se lasci cadere il tuo smartwatch o se viene colpito molto duramente, probabilmente non funzionerà più. Ma ora i ricercatori riferiscono di un materiale morbido e flessibile con "durevolezza adattiva", il che significa che diventa più forte quando viene colpito o allungato. Il materiale conduce anche l'elettricità, rendendolo ideale per la prossima generazione di dispositivi indossabili o sensori medici personalizzati.
I ricercatori presenteranno i loro risultati oggi alla riunione primaverile dell'American Chemical Society (ACS).
L'ispirazione per il nuovo materiale è venuta da una miscela comunemente usata in cucina:un impasto di amido di mais.
"Quando mescolo lentamente l'amido di mais e l'acqua, il cucchiaio si muove facilmente", spiega Yue (Jessica) Wang, scienziata dei materiali e ricercatrice principale del progetto. "Ma se sollevo il cucchiaio e poi infilzo il composto, il cucchiaio non rientra. È come pugnalare una superficie dura." Questo impasto, che aiuta ad addensare stufati e salse, ha una durabilità adattiva, passando da malleabile a forte, a seconda della forza applicata. Il team di Wang ha deciso di imitare questa proprietà in un materiale conduttivo solido.
Molti materiali, come i metalli, che conducono l’elettricità sono duri, rigidi o fragili. Ma i ricercatori hanno sviluppato modi per realizzare versioni morbide e pieghevoli utilizzando polimeri coniugati:lunghe molecole simili a spaghetti che sono conduttive. Tuttavia, la maggior parte dei polimeri flessibili si rompe se subiscono impatti ripetuti, rapidi o di grandi dimensioni. Pertanto, il team di Wang dell'Università della California, Merced, ha deciso di selezionare la giusta combinazione di polimeri coniugati per creare un materiale durevole che imitasse il comportamento adattivo delle particelle di amido di mais nell'acqua.
Inizialmente, i ricercatori hanno creato una soluzione acquosa di quattro polimeri:poli(2-acrilammido-2-metilpropansolfonico) lunghi, simili a spaghetti, molecole di polianilina più corte e una combinazione altamente conduttiva nota come poli(3,4-etilendiossitiofene) polistirene solfonato ( PEDOT:PSS). Dopo aver steso uno strato sottile della miscela e averlo asciugato per formare una pellicola, il team ha testato le proprietà meccaniche del materiale elastico.
Hanno scoperto che invece di rompersi a causa di impatti molto rapidi, si deformava o si allungava. Più veloce è l'impatto, più elastica e resistente diventa la pellicola. E sorprendentemente, solo un'aggiunta del 10% di PEDOT:PSS ha migliorato sia la conduttività del materiale che la durabilità adattiva. Wang osserva che questo risultato era inaspettato perché da soli, PEDOT e PSS non diventano più resistenti con impatti rapidi o elevati.
I quattro polimeri, due con cariche positive e due con cariche negative, si aggrovigliano come una grande ciotola di spaghetti e polpette, spiega Di Wu, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Wang che presenta il lavoro all'incontro.
"Poiché le molecole caricate positivamente non amano l'acqua, si aggregano in microstrutture simili a polpette", afferma Wu. L'ipotesi del team è che il comportamento adattivo derivi dal fatto che le polpette assorbono l'energia di un impatto e si appiattiscono quando vengono colpite, ma non si dividono completamente.
Tuttavia, Wu voleva vedere come l’aggiunta di piccole molecole potesse creare un materiale composito che fosse ancora più resistente se allungato o lasciato cadere rapidamente. Poiché tutti i polimeri avevano cariche, il team ha scelto molecole con cariche positive, negative o neutre da testare. Quindi hanno valutato in che modo gli additivi modificavano le interazioni dei polimeri e influivano sulla durabilità adattiva di ciascun materiale.
I risultati preliminari hanno indicato che le nanoparticelle caricate positivamente costituite da 1,3-propandiammina erano il miglior additivo, conferendo la funzionalità più adattativa. Wu afferma che questo additivo ha indebolito le interazioni dei polimeri che formano le "polpette", rendendole più facili da separare e deformare quando vengono colpite, e ha rafforzato i "fili di spaghetti" strettamente aggrovigliati.
"L'aggiunta di molecole caricate positivamente al nostro materiale lo ha reso ancora più resistente a velocità di allungamento più elevate", afferma Wu.
In futuro, afferma Wang, il team si sposterà verso la dimostrazione dell’applicabilità del loro materiale conduttivo leggero. Le possibilità includono dispositivi indossabili morbidi, come cinturini integrati e sensori posteriori per smartwatch, ed elettronica flessibile per il monitoraggio della salute, come sensori cardiovascolari o monitor continui del glucosio.
Inoltre, il team ha formulato una versione precedente del materiale adattivo per la stampa 3D e ha prodotto una replica della mano di un membro del team, dimostrando la potenziale incorporazione in protesi elettroniche personalizzate. Wang ritiene che la nuova versione composita dovrebbe essere compatibile anche con la stampa 3D per creare qualsiasi forma desiderata.
La durabilità adattiva del materiale significa che i futuri dispositivi biosensori potrebbero essere sufficientemente flessibili per il movimento umano regolare, ma resistere ai danni se vengono urtati accidentalmente o colpiti duramente, spiega Wang. "Esistono numerose potenziali applicazioni e siamo entusiasti di vedere dove ci porterà questa nuova proprietà non convenzionale."
Fornito dall'American Chemical Society
