Un materiale elastico che cambia colore, conduce elettricità, può essere stampato in 3D ed è anche biodegradabile? Non si tratta solo di un pio desiderio scientifico:i ricercatori dell'Empa del laboratorio Cellulose &Wood Materials di Dübendorf hanno prodotto un materiale con queste esatte proprietà a base di cellulosa e nanotubi di carbonio. Il lavoro è pubblicato sulla rivista Advanced Materials Technologies .
I ricercatori hanno iniziato con l’idrossipropilcellulosa (HPC), comunemente utilizzata come eccipiente in prodotti farmaceutici, cosmetici e alimentari, tra le altre cose. È noto che se miscelato con acqua, l'HPC forma cristalli liquidi. Questi cristalli hanno una proprietà notevole:a seconda della loro struttura, che a sua volta dipende, tra le altre cose, dalla concentrazione di HPC, brillano in diversi colori, sebbene essi stessi non abbiano colore o pigmento.
Questo fenomeno è chiamato colorazione strutturale ed è noto che si verifica in natura:le piume di pavone, le ali di farfalla e la pelle di camaleonte ottengono tutta o parte della loro brillante colorazione non dai pigmenti, ma da strutture microscopiche che "dividono" la luce del giorno (bianca) in colori spettrali e riflettono solo le lunghezze d'onda di colori specifici.
La colorazione strutturale dell'HPC cambia non solo con la concentrazione ma anche con la temperatura. Per sfruttare meglio questa proprietà, i ricercatori, guidati da Gustav Nyström, hanno aggiunto lo 0,1% in peso di nanotubi di carbonio alla miscela di HPC e acqua. Ciò rende il liquido elettricamente conduttivo e consente di controllare la temperatura, e quindi il colore dei cristalli liquidi, applicando una tensione.
Come ulteriore vantaggio, il carbonio agisce come un assorbitore a banda larga che rende i colori più profondi. Incorporando una piccola quantità di nanofibre di cellulosa nella miscela, il team di Nyström è stato anche in grado di renderla stampabile in 3D senza alterare la colorazione strutturale e la conduttività elettrica.
I ricercatori hanno utilizzato la nuova miscela di cellulosa per stampare in 3D varie potenziali applicazioni della nuova tecnologia. Questi includevano un sensore di deformazione che cambia colore in risposta alla deformazione meccanica e un semplice display a sette segmenti.
"Il nostro laboratorio ha già sviluppato diversi componenti elettronici usa e getta basati sulla cellulosa, come batterie e sensori", afferma Xavier Aeby, coautore dello studio. "Questa è la prima volta che siamo riusciti a sviluppare un display a base di cellulosa."
In futuro, l’inchiostro a base di cellulosa potrebbe avere molte più applicazioni, come sensori di temperatura e deformazione, nel controllo della qualità degli alimenti o nella diagnostica biomedica. "I materiali sostenibili che possono essere stampati in 3D sono di grande interesse, soprattutto per le applicazioni nell'elettronica biodegradabile e nell'Internet delle cose", afferma Nyström, capo del laboratorio.
"Ci sono ancora molte domande aperte su come viene generata la colorazione strutturale e su come cambia con diversi additivi e condizioni ambientali." Nyström e il suo team mirano a continuare questa linea di lavoro nella speranza di scoprire molti altri fenomeni interessanti e potenziali applicazioni.
Ulteriori informazioni: Jingjiang Wei et al, Sensori e display in cellulosa colorata strutturalmente stampata, Tecnologie dei materiali avanzati (2023). DOI:10.1002/adm.202370002
Informazioni sul giornale: Tecnologie avanzate dei materiali
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