Utilizzando un flash della fotocamera standard, i ricercatori hanno trasformato un normale foglio di ossido di grafene in un materiale che si piega quando esposto all'umidità. Hanno quindi usato questo materiale per creare un robot cingolato e artiglio simile a un ragno che si muove in risposta al cambiamento dell'umidità senza la necessità di alcuna alimentazione esterna.
"Lo sviluppo di materiali intelligenti come l'ossido di grafene sensibile all'umidità è di grande importanza per l'automazione e la robotica, " ha detto Yong-Lai Zhang dell'Università di Jilin, Cina, e capo del gruppo di ricerca. "Il nostro metodo molto semplice per rendere intelligenti i tipici ossidi di grafene è anche estremamente efficiente. Un foglio può essere preparato in un secondo".
Nel diario Materiali ottici Express , dalla Società Ottica (OSA), i ricercatori hanno riferito che i fogli di ossido di grafene trattati con una breve esposizione alla luce intensa sotto forma di flash della fotocamera hanno mostrato una flessione reversibile ad angoli da zero a 85 gradi in risposta alla commutazione dell'umidità relativa tra il 33 e l'86 percento. Hanno anche dimostrato che il loro metodo è ripetibile e che i semplici robot che hanno creato hanno una buona stabilità.
Sebbene altri materiali possano cambiare forma in risposta all'umidità, i ricercatori hanno sperimentato materiali a base di grafene perché sono incredibilmente sottili e hanno proprietà uniche come flessibilità, conducibilità, resistenza meccanica e biocompatibilità. Queste proprietà rendono il grafene ideale per ampie applicazioni in vari campi. Per esempio, l'eccellente biocompatibilità del materiale potrebbe consentire l'utilizzo dell'ossido di grafene sensibile all'umidità in sistemi organ-on-a-chip che simulano la meccanica e la risposta fisiologica di interi organi e vengono utilizzati per la scoperta di farmaci e altre ricerche biomediche.
Realizzare un materiale sensibile all'umidità
Altri gruppi hanno dimostrato che l'ossido di grafene può essere reso sensibile all'umidità attraverso una reazione chimica chiamata riduzione, che rimuove l'ossigeno dalle molecole. Infatti, i ricercatori hanno precedentemente dimostrato che sia la luce solare che la luce UV possono indurre l'effetto. Però, questi approcci erano difficili da controllare con precisione e non molto efficienti.
Il team di ricerca ha sperimentato l'utilizzo di un flash della fotocamera, che in genere copre un'ampia gamma spettrale, come un modo semplice ed efficace per creare grafene sensibile all'umidità. Un flash della fotocamera ha permesso ai ricercatori di rimuovere l'ossigeno da, o ridurre, solo un lato di un foglio di ossido di grafene. Quando l'umidità è presente, il lato ridotto dell'ossido di grafene assorbe meno molecole d'acqua, facendo dilatare il lato non ridotto e piegare il foglio verso il lato ridotto. Se il materiale viene poi esposto all'aria secca, si appiattisce.
I ricercatori hanno scoperto che tenere il flash a circa 20-30 centimetri di distanza dal foglio di ossido di grafene era sufficiente per modificare selettivamente lo strato superiore del foglio senza penetrare fino all'altro lato. Il foglio deve inoltre avere uno spessore superiore a 5 micron per evitare che venga completamente ridotto dall'esposizione del flash.
Robot di grafene
Per creare un crawler guidato dall'umidità, i ricercatori hanno tagliato l'ossido di grafene trattato con flash in una forma di insetto con quattro zampe. Il cingolato indipendente era largo circa 1 centimetro e si spostava in avanti quando l'umidità aumentava. Spegnere e riaccendere l'umidità più volte ha indotto il crawler a spostarsi di 3,5 millimetri in 12 secondi, senza alimentazione esterna.
I ricercatori hanno anche creato una forma ad artiglio incollando insieme otto nastri di 5 x 1 millimetro di ossido di grafene trattato con flash a forma di stella. Quando l'umidità era presente, l'artiglio si chiuse entro 12 secondi. È tornato in una posizione aperta dopo 56 secondi di esposizione all'aria secca.
"Questi robot sono semplici e possono essere manipolati in modo flessibile modificando l'umidità ambientale, " ha detto Zhang. "Questi progetti sono molto importanti perché lo spostamento e l'acquisizione/rilascio sono funzioni di base dei sistemi automatizzati".
Zhang ha aggiunto che l'integrazione del grafene sensibile all'umidità in un sistema di microcanali collegato al controller dell'umidità potrebbe consentire un controllo ancora più preciso e altri tipi di robot o macchine semplici. I ricercatori stanno ora lavorando su modi per migliorare il controllo della flessione del materiale e stanno sperimentando modi per ottenere prestazioni più complesse da robot realizzati con ossido di grafene sensibile all'umidità.
