Un team di ingegneri dell'Università della California a San Diego ha sviluppato un inchiostro magnetico che può essere utilizzato per realizzare batterie autorigeneranti, sensori elettrochimici e indossabili, circuiti elettrici a base tessile.

L'ingrediente chiave per l'inchiostro sono le microparticelle orientate in una certa configurazione da un campo magnetico. Per il modo in cui sono orientati, le particelle su entrambi i lati di una lacrima sono attratte magneticamente l'una dall'altra, facendo sì che un dispositivo stampato con l'inchiostro si autoguarisca. I dispositivi riparano strappi larghi fino a 3 millimetri, un record nel campo dei sistemi di autoriparazione.

I ricercatori dettagliano i loro risultati nel numero del 2 novembre di Progressi scientifici .

"Il nostro lavoro è molto promettente per applicazioni pratiche diffuse per dispositivi elettronici stampati di lunga durata, " ha detto Giuseppe Wang, direttore del Center for Wearable Sensors e presidente del dipartimento di nanoingegneria dell'UC San Diego.

I materiali autorigeneranti esistenti richiedono un innesco esterno per avviare il processo di guarigione. Inoltre impiegano da pochi minuti a diversi giorni per funzionare. Al contrario, il sistema sviluppato da Wang e colleghi non richiede alcun catalizzatore esterno per funzionare. Il danno viene riparato entro circa 50 millisecondi (0,05 secondi).

Gli ingegneri hanno usato l'inchiostro per stampare batterie, sensori elettrochimici e indossabili, circuiti elettrici a base tessile (vedi video). Hanno quindi iniziato a danneggiare questi dispositivi tagliandoli e separandoli per creare spazi sempre più ampi. I ricercatori hanno ripetutamente danneggiato i dispositivi nove volte nella stessa posizione. Hanno anche inflitto danni in quattro punti diversi sullo stesso dispositivo. I dispositivi si sono comunque curati da soli e hanno recuperato la loro funzione perdendo una minima quantità di conduttività.

Per esempio, i nanoingegneri hanno stampato un circuito di auto-guarigione sulla manica di una maglietta e l'hanno collegato con una luce LED e una batteria a bottone. I ricercatori hanno quindi tagliato il circuito e il tessuto su cui è stato stampato. A quel punto, il led si è spento. Ma poi nel giro di pochi secondi ha iniziato a riaccendersi mentre i due lati del circuito si riunivano di nuovo e si curavano da soli, ripristinando la conduttività.

"Volevamo sviluppare un sistema intelligente con straordinarie capacità di auto-guarigione con facili da trovare, materiali economici, " ha detto Amay Bandodkar, uno dei primi autori degli articoli, che ha conseguito il dottorato di ricerca nel laboratorio di Wang ed è ora ricercatore post-dottorato presso la Northwestern University.

fabbricazione

Il gruppo di ricerca di Wang è leader nel campo dei sensori indossabili stampati, quindi il suo team di nanoingegneri si è naturalmente rivolto all'inchiostro come punto di partenza per il loro sistema di auto-guarigione.

Gli ingegneri hanno caricato l'inchiostro con microparticelle fatte di un tipo di magnete comunemente usato nella ricerca e fatto di neodimio, un morbido, metallo argentato. Il campo magnetico delle particelle è molto più grande della loro dimensione individuale. Questa è la chiave per le proprietà autorigeneranti dell'inchiostro perché l'attrazione tra le particelle porta alla chiusura di lacrime larghe millimetri.

Le particelle conducono anche elettricità e sono poco costose. Ma hanno scarse proprietà elettrochimiche, rendendoli difficili da usare nei dispositivi elettrochimici, come sensori, da soli. Per rimediare a questo problema, i ricercatori hanno aggiunto nerofumo all'inchiostro, un materiale comunemente usato per realizzare batterie e sensori.

Ma i ricercatori si sono resi conto che i campi magnetici delle microparticelle, quando nella loro configurazione naturale, cancellati a vicenda, che li ha privati ​​delle loro proprietà curative. Gli ingegneri hanno risolto questo problema stampando l'inchiostro in presenza di un campo magnetico esterno, che assicurava che le particelle si orientassero per comportarsi come un magnete permanente con due poli opposti all'estremità di ogni dispositivo stampato. Quando il dispositivo viene tagliato in due, i due pezzi danneggiati fungono da magneti diversi che si attraggono e si autoguariscono.

Nel futuro, gli ingegneri prevedono di produrre inchiostri diversi con ingredienti diversi per un'ampia gamma di applicazioni. Inoltre, hanno in programma di sviluppare simulazioni al computer per testare diverse ricette di inchiostri autorigeneranti in silico prima di provarle in laboratorio.