Gli scienziati della Nanyang Technological University (NTU Singapore) di Singapore hanno creato un materiale simile alla carta derivato dal polline che si piega e si arriccia in risposta ai mutevoli livelli di umidità ambientale.

La capacità di questa carta a base di polline di alterare le sue caratteristiche meccaniche in risposta a stimoli esterni può renderla utile in una vasta gamma di applicazioni, compresi i robot morbidi, sensori, muscoli artificiali, e generatori elettrici.

In combinazione con la stampa digitale, la carta pollinica può essere promettente per la fabbricazione di una nuova generazione di attuatori naturali programmabili, componenti di una macchina responsabili del movimento e del controllo di un meccanismo.

Le scoperte, pubblicato in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze questa settimana, mostra come il team di NTU Singapore ha formulato la carta utilizzando grani di polline ammorbiditi.

Hanno dimostrato le proprietà della carta a base di polline piegandola in un fiore che "sboccia" in presenza di vapore acqueo. Hanno anche dimostrato che le proprietà fisiche del materiale pollinico possono essere regolate, con una striscia di carta a base di polline che è in grado di 'camminare'.

Gli autori corrispondenti di questo articolo sono l'assistente professore Song Juha della School of Chemical and Biomedical Engineering, e il professor Cho Nam-Joon e il professor Subra Suresh della School of Materials Science and Engineering presso NTU.

Subra Suresh, illustre professore universitario della NTU, che è anche il presidente della NTU, ha dichiarato:"Molti progressi sono stati compiuti nello sviluppo di sensori e attuatori bioispirati basati su materiali sintetici ingegnerizzati, ma questi materiali presentano limitazioni come problemi di sostenibilità ambientale e costi relativamente elevati. Rimane un bisogno critico di incorporare materiali economici ed eco-compatibili. Proprio come le pigne aprono e chiudono le loro squame a seconda della quantità di umidità nell'aria, il nostro team di ricerca NTU ha dimostrato che la carta pollinica creata da grani di polline naturalmente abbondanti risponde come attuatore ai cambiamenti dell'umidità ambientale."

Professore NTU Cho Nam-Joon, che detiene la cattedra della Materials Research Society di Singapore in Scienza e ingegneria dei materiali, ha dichiarato:"Questi risultati si basano sul recente lavoro del nostro team NTU, in cui abbiamo mostrato come i grani di polline duri possono essere convertiti in particelle di microgel morbide che alterano le loro proprietà in risposta a stimoli esterni. Questo processo rende anche il polline e i prodotti che creiamo da esso, anallergico."

Carta pollinica che si piega, capovolge e si muove

Per formare la carta, il team NTU ha prima trasformato i grani di polline ultra resistenti dei girasoli in un materiale flessibile, materiale simile al gel attraverso un processo simile alla produzione di sapone convenzionale. Questo processo include la rimozione del cemento pollinico a base di olio appiccicoso che ricopre la superficie del grano, prima di incubare il polline in condizioni alcaline per ore.

Il materiale gelatinoso risultante viene quindi colato in uno stampo e lasciato asciugare, formando un materiale simile alla carta. Utilizzando la microscopia elettronica a scansione, gli scienziati hanno osservato che la carta a base di polline comprende strati alternati di particelle di polline, con lo strato superiore significativamente più ruvido dello strato inferiore.

La superficie superiore della carta pollinica, che a occhio nudo appare brinato, mostravano i resti delle punte distinte dei grani di polline di girasole, contribuendo alla sua ruvidezza. La superficie inferiore, che assume una finitura superficiale a specchio, era relativamente più fluido.

Questa differenza strutturale negli strati di particelle di polline fa sì che in presenza di vapore acqueo la carta inizi a piegarsi, e in condizioni asciutte, si distende. Cicli ripetuti di condizioni umide e asciutte fanno sì che la carta esegua un movimento di capovolgimento nel tempo.

L'assistente professore della NTU Song Juha ha spiegato:"Durante l'assorbimento di acqua o vapore acqueo, le particelle di polline nella carta si gonfiano e si espandono. A causa della differenza strutturale negli strati di particelle di polline, la carta si gonfia in modo diverso in diverse parti. Ciò induce sollecitazioni interne attraverso lo spessore della carta, che lo costringe a piegarsi."

Per dimostrare che è possibile personalizzare la reattività al vapore acqueo della carta antipolline, il team ha regolato i parametri di elaborazione, principalmente il tempo di incubazione alcalina dei grani di polline. Hanno unito due campioni di carta pollinica, ciascuno preparato con tempi di incubazione diversi (3 ore e 12 ore), per formare una striscia di carta pollinica bimateriale con bordo visibile.

Quando la carta pollinica bimateriale è stata esposta a un ciclo umido-secco, le diverse reazioni all'umidità dei due campioni di carta pollinica hanno fatto 'camminare' la carta come un bruco che si muove espandendo e contraendo alternativamente il suo corpo morbido.

Gli scienziati hanno anche dimostrato la potenziale applicazione della carta pollinica come robot morbido che si attiva automaticamente attraverso un fiore fatto di carta pollinica che "sboccia" attraverso l'assorbimento graduale del vapore acqueo.

Il professor Suresh ha dichiarato:"La carta antipolline che abbiamo sviluppato mostra una forte attuazione meccanica al variare dell'umidità. Questo materiale naturale mostra il potenziale per lo sviluppo di un ampio spettro di sistemi di attuazione con proprietà personalizzate per diverse esigenze funzionali".