Una rete con 256 micronodi (punti dorati) è tesa nel dispositivo di allungamento controllato a mano. Dopo essere stato allungato in una direzione, la rete viene ruotata di 90° e tesa nell'altro senso. Credito immagine:G. Lanzara, et al.
(PhysOrg.com) -- Ora che gli scienziati hanno sviluppato un assortimento diversificato di dispositivi e materiali di dimensioni nano e micro, una delle maggiori sfide è trovare un modo pratico per incorporarli in sistemi su macroscala. Per esempio, minuscoli sensori, attuatori, e i dispositivi elettronici possono esprimere il loro pieno potenziale solo quando possono essere sfruttati in grandi sistemi nella vita di tutti i giorni. In un nuovo studio, i ricercatori hanno sviluppato un modo efficace per collegare le scale micro e macro progettando una rete di microfili e micronodi che può essere espansa da pochi centimetri quadrati a un metro quadrato a bassi livelli di deformazione nel materiale.
Giulia Lanzara, Janmin Feng, e Fu-Kuo Chang del Dipartimento di Aeronautica e Astronautica della Stanford University hanno pubblicato il loro studio in un recente numero di Materiali e strutture intelligenti .
Come spiegano i ricercatori nel loro studio, l'incorporazione di componenti elettronici miniaturizzati in oggetti di grandi dimensioni finora non è stato raggiunto con le attuali tecnologie a costi accessibili. Il metodo tradizionale di solito prevede prima la fabbricazione dei nano/microcomponenti e poi l'assemblaggio e il cablaggio a livello di macroscala. Poiché possono esserci migliaia di componenti da assemblare, questo metodo diventa rapidamente costoso e richiede tempo. Approcci alternativi hanno incluso la fabbricazione dei micro componenti su substrati elastici, ma finora nessun progetto ha tollerato grandi quantità di sforzi e allungamenti. Nel loro studio, i ricercatori di Stanford usano anche un substrato estensibile, ma il loro design è altamente espandibile, consentendo uno stiramento bidimensionale maggiore di 25, 600%.
“Uno dei principali sogni della scienza e della tecnologia è sviluppare materiali/strutture o dispositivi “intelligenti” che possano assomigliare alle molteplici funzionalità uniche dei sistemi viventi, ” ha detto Lanzara PhysOrg.com . “Di conseguenza, la sfida principale è l'integrazione non invasiva di un array distribuito di nano/microdispositivi in materiali macroscopici. L'idea che ho proposto per superare questo problema è costruire una serie di nano/microdispositivi su un substrato espandibile e flessibile, modellato alla microscala e che assomiglia, una volta ampliato, una ragnatela gigante e ultraleggera. Il web può quindi essere integrato per realizzare materiali “intelligenti” senza il rischio di impattare sul peso, prestazioni meccaniche e affidabilità dei materiali ospitanti. Il metodo multiscala proposto rappresenta il primo passo verso la realizzazione di materiali veramente funzionali che somigliano a sistemi viventi”.
Tra i loro esperimenti, i ricercatori hanno costruito una rete che consiste di 5, 041 micronodi con diametri di circa 200 micrometri (questi possono ospitare minuscoli sensori, attuatori, ecc.) che sono collegati in uno schema a griglia da microfili. La chiave del design espandibile è disporre i microfili pre-espansi in anelli e segmenti - essenzialmente, comprimere un filo il più lungo possibile tra i nodi in modo tale da consentire l'espansione a bassi livelli di deformazione. Rivestendo i microfili con uno strato di alluminio, i ricercatori potrebbero consentire loro di funzionare come interconnessioni elettriche tra i nodi per vari dispositivi elettronici. I micronodi situati alla periferia della rete potrebbero quindi trasmettere segnali elettrici dentro e fuori la rete.
Due micronodi sono collegati da un microfilo che è disposto in anelli e segmenti per consentire l'allungamento a bassa deformazione. Credito immagine:G. Lanzara, et al.
La fabbricazione e l'espansione della rete sono nuove ma relativamente semplici. I ricercatori hanno prima modellato i microfili e i micronodi funzionali (nella configurazione pre-espansa) su un film Kapton di 10 centimetri di diametro, che è un materiale polimerico utilizzato anche come isolante per tute spaziali e cavi elettrici nelle navette spaziali. Il materiale non necessario è stato quindi rimosso dal film di Kapton per formare una rete di micronodi interconnessi da microfili.
La rete polimerica è stata quindi tesa da una macchina tenditrice controllata a mano, prima in una direzione e poi nell'altra. Man mano che la rete si espande, i cappi del microfilo si allargano come una fisarmonica (ma i nodi non si allungano). Usando un microscopio, i ricercatori hanno ispezionato la rete espansa di un metro quadrato e hanno scoperto che i microfili e i micronodi erano ancora meccanicamente ed elettricamente sani. I micronodi sono stati inoltre posizionati con precisione in posizioni predefinite dopo l'espansione.
“L'approccio che ho proposto è concettualmente semplice ma nessuno ci aveva pensato prima, "Lanzara ha detto. “Invece di cercare di 'allungare' un materiale per coprire ampie aree e fare affidamento solo sulle proprietà fisiche del materiale, perché non semplicemente "rimuovere il materiale non necessario" da un film polimerico e "progettare" il materiale rimanente sotto forma di microfili e micronodi piegati? In questo modo, semplicemente dispiegando i microfili, il materiale ingegnerizzato può essere espanso a diversi ordini di grandezza della sua dimensione originale a valori di deformazione molto bassi. Questo design porta a rapporti di allungamento bidimensionali che vanno oltre la capacità di allungamento di qualsiasi materiale oggi conosciuto.
Globale, la rete espansa è fondamentalmente una versione su macroscala della rete di dimensioni centimetriche, con entrambi realizzati con gli stessi componenti di microdimensioni. Inoltre, l'intera grande rete potrebbe essere arrotolata in varie forme 3D grazie alla sua elevata flessibilità e potrebbe essere facilmente integrata in materiali di diversa rigidità come polimeri flessibili e compositi in fibra di carbonio.
Come spiegano i ricercatori, la rete altamente espandibile può fungere da modo conveniente per integrare una serie ad alta densità di dispositivi su nano/microscala a livello di macroscala. Sebbene l'applicazione principale per questa rete possa essere per i sensori che si estendono su vaste aree, l'approccio potrebbe anche avere applicazioni in apparecchiature elettroniche portatili, display simili a carta, tessuti elettronici intelligenti, e altro ancora.
“Questo lavoro può certamente aprire la strada allo spazio, civile, militare, applicazioni mediche e biomediche, nonché allo sviluppo di prodotti che hanno il potenziale per migliorare il comfort e la qualità del nostro stile di vita, "Lanzara ha detto. "Ad esempio, il web espanso può essere utilizzato per realizzare tessuti intelligenti per abbigliamento o per dispositivi medici, per realizzare i materiali morphing del futuro, o multifunzionale, eccezionalmente resistente, compositi affidabili per velivoli sicuri e durevoli e per realizzare la pelle artificiale di robot umanoidi. Realizzare la rete alla microscala ed espanderla alla macroscala in un unico passaggio consente una drastica riduzione dei costi di integrazione in materiali o strutture, così, le applicazioni di cui sopra possono finalmente essere concretamente realizzate.”
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