(Phys.org)—Un team di chimici e ingegneri di Stanford ha creato il primo materiale sintetico sensibile al tatto e in grado di guarire se stesso rapidamente e ripetutamente a temperatura ambiente. Il progresso potrebbe portare a protesi più intelligenti o a dispositivi elettronici personali più resistenti che si riparano da soli.

Nessuno conosce le straordinarie proprietà della pelle umana come i ricercatori che lottano per emularla. Non solo la nostra pelle è sensibile, inviando al cervello informazioni precise su pressione e temperatura, ma guarisce anche in modo efficiente per preservare una barriera protettiva contro il mondo. La combinazione di queste due caratteristiche in un unico materiale sintetico ha rappresentato una sfida entusiasmante per la professoressa di ingegneria chimica di Stanford Zhenan Bao e il suo team.

Ora, sono riusciti a creare il primo materiale in grado sia di percepire una sottile pressione che di guarire se stesso quando viene strappato o tagliato. I loro risultati saranno pubblicati l'11 novembre sulla rivista Nanotecnologia della natura .

Nell'ultima decade, ci sono stati grandi progressi nella pelle sintetica, ha detto Bao, ricercatore principale dello studio, ma anche i materiali di autoguarigione più efficaci presentavano grossi inconvenienti. Alcuni dovevano essere esposti a temperature elevate, rendendoli poco pratici per l'uso quotidiano. Altri potrebbero guarire a temperatura ambiente, ma riparare un taglio ha cambiato la loro struttura meccanica o chimica, quindi potevano guarire se stessi solo una volta. Più importante, nessun materiale autorigenerante era un buon conduttore di elettricità, una proprietà cruciale.

"Per interfacciare questo tipo di materiale con il mondo digitale, idealmente vuoi che siano conduttivi, " ha detto Benjamin Chee-Keong Tee, primo autore del saggio.

Una nuova ricetta

I ricercatori sono riusciti a combinare due ingredienti per ottenere quello che Bao chiama "il meglio dei due mondi":la capacità di autoriparazione di un polimero plastico e la conduttività di un metallo.

Hanno iniziato con una plastica costituita da lunghe catene di molecole unite da legami idrogeno - le attrazioni relativamente deboli tra la regione carica positiva di un atomo e la regione carica negativa del successivo.

"Questi legami dinamici consentono al materiale di autoguarirsi, " ha detto Chao Wang, co-primo autore della ricerca. Le molecole si rompono facilmente, ma poi quando si ricollegano, i legami si riorganizzano e ripristinano la struttura del materiale dopo che si è danneggiato, Egli ha detto. Il risultato è un materiale pieghevole, che anche a temperatura ambiente sembra un po' come il taffy di acqua salata lasciato in frigo.

A questo polimero resiliente, i ricercatori hanno aggiunto minuscole particelle di nichel, che ne aumentava la resistenza meccanica. Le superfici su scala nanometrica delle particelle di nichel sono ruvide, che si è rivelato importante nel rendere conduttivo il materiale. Tee ha paragonato queste caratteristiche della superficie a "mini-machete, " con ogni bordo sporgente che concentra un campo elettrico e rende più facile il flusso di corrente da una particella all'altra.

Il risultato è stato un polimero con caratteristiche non comuni. "La maggior parte delle materie plastiche sono buoni isolanti, ma questo è un ottimo conduttore, " ha detto Bao.

Rimbalzare

Il passo successivo è stato vedere quanto bene il materiale potesse ripristinare sia la sua resistenza meccanica che la sua conduttività elettrica dopo un danno.

I ricercatori hanno preso una sottile striscia di materiale e l'hanno tagliata a metà con un bisturi. Dopo aver premuto delicatamente i pezzi per alcuni secondi, hanno scoperto che il materiale ha recuperato il 75% della sua forza e conduttività elettrica originali. Il materiale è stato ripristinato vicino al 100% in circa 30 minuti. "Anche la pelle umana impiega giorni per guarire. Quindi penso che sia abbastanza bello, " disse Tee.

Cosa c'è di più, lo stesso campione potrebbe essere tagliato ripetutamente nello stesso punto. Dopo 50 tagli e riparazioni, un campione ha resistito alla flessione e all'allungamento proprio come l'originale.

La natura composita del materiale ha creato una nuova sfida ingegneristica per il team. Bao e i suoi coautori hanno scoperto che sebbene il nichel fosse la chiave per rendere il materiale resistente e conduttivo, ha anche ostacolato il processo di guarigione, impedendo ai legami idrogeno di riconnettersi come dovrebbero.

Per le generazioni future del materiale, Bao ha detto che il team potrebbe regolare le dimensioni e la forma delle nanoparticelle, o anche le proprietà chimiche del polimero, per aggirare questo compromesso.

Ciò nonostante, Wang ha affermato che la portata di queste proprietà di autoguarigione è stata davvero sorprendente:"Prima del nostro lavoro, era molto difficile immaginare che questo tipo di flessibilità, il materiale conduttivo potrebbe anche essere autorigenerante".

Sensibile al tatto

Il team ha anche studiato come utilizzare il materiale come sensore. Per gli elettroni che compongono una corrente elettrica, cercare di attraversare questo materiale è come cercare di attraversare un ruscello saltando di pietra in pietra. Le pietre in questa analogia sono le particelle di nichel, e la distanza che li separa determina quanta energia avrà bisogno un elettrone per liberarsi da una pietra e spostarsi su un'altra.

Torcendo o facendo pressione sulla pelle sintetica cambia la distanza tra le particelle di nichel e, perciò, la facilità con cui gli elettroni possono muoversi. Questi sottili cambiamenti nella resistenza elettrica possono essere tradotti in informazioni sulla pressione e la tensione sulla pelle.

Tee dice che il materiale è abbastanza sensibile da rilevare la pressione di una stretta di mano. Potrebbe, perciò, essere ideale per l'uso in protesi, Ha aggiunto Bao. Il materiale è sensibile non solo alla pressione verso il basso ma anche alla flessione, così un arto protesico potrebbe un giorno essere in grado di registrare il grado di piegatura di un'articolazione.

Tee ha indicato altre possibilità commerciali. I dispositivi elettrici e i cavi rivestiti in questo materiale potrebbero ripararsi da soli e far circolare nuovamente l'elettricità senza una manutenzione costosa e difficile, soprattutto in luoghi difficili da raggiungere, come all'interno di muri di edifici o veicoli.

Prossimo, Bao ha detto che l'obiettivo del team è rendere il materiale elastico e trasparente, in modo che possa essere adatto per avvolgere e sovrapporre dispositivi elettronici o schermi di visualizzazione.