Un team di chimici e ingegneri polimerici della Carnegie Mellon University ha sviluppato una nuova metodologia che può essere utilizzata per creare una classe di compositi polimerici estensibili con proprietà elettriche e termiche migliorate. Questi materiali sono candidati promettenti per l'uso nella robotica morbida, elettronica e dispositivi medici autorigeneranti. I risultati sono pubblicati nel numero del 20 maggio di Nanotecnologia della natura .

Nello studio, i ricercatori hanno unito le loro competenze nella scienza e nell'ingegneria fondamentali per ideare un metodo che incorpora uniformemente l'indio eutettico di gallio (EGaIn), una lega metallica che è liquida a temperatura ambiente, in un elastomero. Questo ha creato un nuovo materiale, un materiale altamente estensibile, morbido, composito multifunzionale che ha un alto livello di stabilità termica e conduttività elettrica.

Carmelo Majidi, professore di Ingegneria Meccanica alla Carnegie Mellon e direttore del Soft Machines Lab, ha condotto ricerche approfondite per lo sviluppo di nuovi, materiali morbidi che possono essere utilizzati per applicazioni biomediche e di altro tipo. Nell'ambito di questa ricerca, ha sviluppato compositi in gomma seminati con goccioline nanoscopiche di metallo liquido. I materiali sembravano promettenti, ma la tecnica di miscelazione meccanica che ha usato per combinare i componenti ha prodotto materiali con composizioni inconsistenti, e come risultato, proprietà inconsistenti.

Per superare questo problema, Majidi si rivolse al chimico dei polimeri Carnegie Mellon e al professore di scienze naturali della J.C. Warner University Krzysztof Matyjaszewski, che ha sviluppato la polimerizzazione radicalica a trasferimento atomico (ATRP) nel 1994. ATRP, il primo e più robusto metodo di polimerizzazione controllata, permette agli scienziati di mettere insieme i monomeri pezzo per pezzo, ottenendo polimeri altamente personalizzati con proprietà specifiche.

"I nuovi materiali sono efficaci solo se sono affidabili. Devi sapere che il tuo materiale funzionerà allo stesso modo ogni volta prima di poterlo trasformare in un prodotto commerciale, " ha affermato Matyjaszewski. "ATRP ha dimostrato di essere un potente strumento per creare nuovi materiali che hanno strutture affidabili e proprietà uniche."

Majidi, Matyjaszewski e il professore di scienza e ingegneria dei materiali Michael R. Bockstaller hanno utilizzato l'ATRP per attaccare le spazzole monomeriche alla superficie delle nanogocce di EGaIn. I pennelli sono stati in grado di collegarsi tra loro, formare forti legami con le goccioline. Di conseguenza, il metallo liquido uniformemente disperso nell'elastomero, risultando in un materiale con elevata elasticità ed elevata conduttività termica.

Matyjaszewski ha anche notato che dopo l'innesto del polimero, la temperatura di cristallizzazione di eGaIn è stata soppressa da 15 C a -80 C, estendendo la fase liquida della gocciolina , e quindi le sue proprietà liquide, fino a temperature molto basse.

"Ora possiamo sospendere il metallo liquido praticamente in qualsiasi polimero o copolimero per adattare le proprietà del materiale e migliorarne le prestazioni, " ha detto Majidi. "Questo non è stato fatto prima. Apre le porte alla scoperta di materiali futuri".

I ricercatori prevedono che questo processo potrebbe essere utilizzato per combinare diversi polimeri con metallo liquido, e controllando la concentrazione di metallo liquido, possono controllare le proprietà dei materiali che stanno creando. Il numero di combinazioni possibili è vasto, ma i ricercatori ritengono che con l'aiuto dell'intelligenza artificiale, il loro approccio potrebbe essere utilizzato per progettare compositi elastomerici "su misura" con proprietà personalizzate. Il risultato sarà una nuova classe di materiali che può essere utilizzata in una varietà di applicazioni, compresa la robotica morbida, pelle artificiale e dispositivi medici biocompatibili.