Figura 1 Fisica degli attuatori guidati dalla solvatazione. (a) Vista dall'alto della membrana indeformata, il cui anodo (sinistra) e catodo (destra) sono delimitati da linee tratteggiate. I cationi nella soluzione esterna entrano nella membrana all'anodo ( J a + out ) e forzano i cationi inizialmente nella membrana a diffondersi nella soluzione esterna dai lati ( J a + in ). Altri cationi di membrana lasciano la membrana al catodo ( J c + in ). I cationi solvatati portano con sé molecole d'acqua nei loro gusci di solvatazione ( J a 0 out , J un 0 in , e J c 0 in ). (b) La migrazione dei cationi solvatati provoca l'attivazione macroscopica a causa di variazioni di volume localizzate all'anodo (rigonfiamento) e al catodo (contrazione) della membrana. E indica la direzione del campo elettrico. Lettere di revisione fisica (2021). DOI:10.1103/PhysRevLett.126.046001
In un nuovo studio condotto dal professor Maurizio Porfiri dell'Istituto presso la NYU Tandon, i ricercatori hanno mostrato un nuovo principio di attuazione:trasformare l'energia elettrica in movimento. Questo meccanismo di attuazione si basa sulla solvatazione, l'interazione tra le molecole di soluto e solvente in una soluzione. Questo fenomeno è particolarmente importante in acqua, poiché le sue molecole sono polari:l'ossigeno attrae gli elettroni più dell'idrogeno, tale che l'ossigeno ha una carica leggermente negativa e l'idrogeno una leggermente positiva. Così, le molecole d'acqua sono attratte da ioni carichi in soluzione, formando dei gusci intorno a loro. Questo fenomeno microscopico gioca un ruolo critico nelle proprietà delle soluzioni e nei processi biologici essenziali come il ripiegamento delle proteine, ma prima di questo studio non c'erano prove di potenziali conseguenze meccaniche macroscopiche della solvatazione.
Il gruppo di ricercatori, che comprendeva anche Alain Boldini, un dottorato di ricerca candidato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale della NYU Tandon, e il dottor Youngsu Cha del Korea Institute of Science and Technology, proposto che la solvatazione potrebbe essere sfruttata per produrre deformazioni macroscopiche nei materiali. A tal fine, Porfiri e il suo gruppo hanno utilizzato membrane ionomeriche, materiali polimerici unici in cui le cariche negative non possono muoversi. Gli ioni positivi possono facilmente entrare in queste membrane, mentre gli ioni negativi vengono respinti da essi. Per dimostrare l'attuazione, membrane ionomeriche sono state immerse in una soluzione di acqua e sale, tra due elettrodi. L'applicazione di una tensione ai capi degli elettrodi ha fatto piegare la membrana. La carta, "Attuazione elettrochimica guidata dalla solvatazione, " è pubblicato nell'American Physical Society's Lettere di revisione fisica .
Secondo il modello elaborato da Porfiri e dal suo gruppo, la tensione ha causato una corrente di ioni positivi verso l'elettrodo negativo. Questi ioni sono entrati nella membrana da un lato, insieme alle molecole d'acqua nei loro gusci di solvatazione. Dall'altra parte della membrana, ioni positivi e i loro gusci di solvatazione sono stati trascinati all'esterno. La membrana ha risposto come una spugna:il lato pieno d'acqua si è espanso, mentre il lato con meno acqua si è ristretto. Questo rigonfiamento differenziale ha prodotto la flessione macroscopica della membrana. Lo studio dell'attuazione con ioni diversi aiuta a comprendere questo fenomeno, poiché ioni diversi attraggono un diverso numero di molecole d'acqua intorno a loro.
La scoperta delle conseguenze meccaniche macroscopiche della solvatazione apre la strada a ulteriori ricerche sulle membrane. Il gruppo prevede applicazioni nel campo delle celle elettrochimiche (batterie, celle a combustibile, ed elettrolizzatori), che spesso si basano sulle membrane utilizzate in questo studio. Queste membrane condividono anche somiglianze con le membrane naturali, come le membrane cellulari, su cui gli effetti meccanici della solvatazione sono in gran parte sconosciuti.
