Rappresentazione dell'applicazione di nanotubi semiconduttori organici nel muscolo artificiale. Opera per gentile concessione di Mohammad Reza Abidian. Credito:Mohammad Reza Abidian
I ricercatori dell'Università di Houston stanno segnalando una svolta nel campo della scienza e dell'ingegneria dei materiali con lo sviluppo di un attuatore elettrochimico che utilizza nanotubi semiconduttori organici specializzati (OSNT).
Attualmente nelle prime fasi di sviluppo, l'attuatore diventerà una parte fondamentale della ricerca che contribuirà al futuro della robotica, scienze bioelettroniche e biomediche.
"I dispositivi elettrochimici che trasformano l'energia elettrica in energia meccanica hanno un potenziale utilizzo in numerose applicazioni, che vanno dalla robotica morbida e dalle micropompe alle microlenti con messa a fuoco automatica e alla bioelettronica, " disse Mohammad Reza Abidian, professore associato di ingegneria biomedica presso l'UH Cullen College of Engineering. È l'autore corrispondente dell'articolo "Nanotubi a semiconduttore organici per dispositivi elettrochimici, "pubblicato sulla rivista Materiali funzionali avanzati, che dettaglia la scoperta.
Movimenti significativi (che gli scienziati definiscono come attuazione e misura come deformazione) e tempi di risposta rapidi sono stati obiettivi sfuggenti, specialmente per dispositivi attuatori elettrochimici che funzionano in liquidi. Questo perché la forza di trascinamento di un liquido limita il movimento di un attuatore e limita il trasporto e l'accumulo di ioni nei materiali e nelle strutture degli elettrodi. Nel laboratorio di Abidian, lui e il suo team hanno perfezionato i metodi per aggirare questi due ostacoli.
"Il nostro dispositivo elettrochimico di nanotubi a semiconduttore organico presenta elevate prestazioni di attuazione con trasporto e accumulo di ioni rapidi e dinamiche sintonizzabili in elettroliti liquidi e polimerici in gel. Questo dispositivo dimostra prestazioni eccellenti, compreso basso consumo energetico/deformazione, una grande deformazione, risposta rapida ed eccellente stabilità di attuazione, " ha detto Abido.
Questa eccezionale prestazione, Lui ha spiegato, deriva dall'enorme superficie effettiva della struttura nanotubulare. L'area più ampia facilita il trasporto e l'accumulo di ioni, che si traduce in un'elevata elettroattività e durata.
"I bassi valori di consumo/deformazione per questo attuatore OSNT, anche quando funziona in elettrolita liquido, segnano un profondo miglioramento rispetto agli attuatori elettrochimici precedentemente riportati operanti in liquido e aria, " Ha detto Abidian. "Abbiamo valutato la stabilità a lungo termine. Questo attuatore a nanotubi a semiconduttore organico ha mostrato una stabilità a lungo termine superiore rispetto agli attuatori a base di polimeri coniugati precedentemente riportati che operano in elettrolita liquido".
Mohammad Reza Abidian, professore associato di ingegneria biomedica presso l'Università di Houston Cullen College of Engineering, ha annunciato una svolta con lo sviluppo di un attuatore elettrochimico. Credito:Università di Houston
A unirsi ad Abidian nel progetto c'erano Mohammadjavad Eslamian, Fereshtehsadat Mirab, Vijay Krishna Raghunathan e Sheereen Majd, tutti dal Dipartimento di Ingegneria Biomedica presso l'UH Cullen College of Engineering.
I semiconduttori organici utilizzati, chiamati polimeri coniugati, sono stati scoperti negli anni '70 da tre scienziati:Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid e Hideki Shirakawa, che hanno vinto un premio Nobel nel 2000 per la scoperta e lo sviluppo di polimeri coniugati.
Affinché un nuovo tipo di attuatore superi lo status quo, il prodotto finale deve dimostrare non solo di essere altamente efficace (in questo caso, in elettrolita polimerico sia liquido che in gel), ma anche che possa durare.
"Per dimostrare potenziali applicazioni, abbiamo progettato e sviluppato una sonda neurale mobile su scala micron basata su microattuatori OSNT. Questa microsonda potenzialmente può essere impiantata nel cervello, dove le registrazioni del segnale neurale che sono influenzate negativamente, da tessuto danneggiato o spostamento di neuroni, può essere migliorata regolando la posizione dei microcantilever mobili, "disse Abido.
Il prossimo passo è la sperimentazione sugli animali, che sarà presto intrapreso alla Columbia University. I primi risultati sono attesi entro la fine del 2021, con test a lungo termine da seguire.
"Considerando i risultati ottenuti finora, prevediamo che questi nuovi dispositivi elettrochimici basati su OSNT aiuteranno a far progredire la prossima generazione di robotica morbida, muscoli artificiali, bioelettronica e dispositivi biomedici, " ha detto Abido.
