Materiali intelligenti: nuova scoperta scientifica.

Compositi elastomerici magnetici in grado di piegarsi, stringersi o ruotarsi se esposti al laser, alla luce diffusa o solare.

Cosa succederebbe se gli oggetti che ci circondano potessero modificarsi in base agli stimoli luminosi che ricevono? A questa domanda stanno trovando risposta i ricercatori della Facoltà di Ingegneria della Tufts University che hanno sviluppato nuovi materiali intelligenti che riescono a muoversi in modi differenti se esposti alla luce.

La scoperta

La ricerca, descritta in un articolo pubblicato il 24 Luglio 2018 nella rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, apre a scenari particolarmente rilevanti poiché aumenta la possibilità di sviluppare un’ampia gamma di prodotti che possono compiere movimenti da semplici a complessi, da piccoli motori e valvole ad array solari, che possono piegarsi in direzione della luce solare.
In biologia ci sono molti esempi in cui la luce induce movimenti o cambiamenti, basti pensare ai fiori e alle foglie che si girano in direzione della luce solare.

Temperatura di Curie

I materiali attivati dalla luce creati in questo studio sono basati sul principio della temperatura di Curie: la temperatura al di sopra della quale alcuni materiali cambiano le loro proprietà magnetiche.
Riscaldando e raffreddando un materiale magnetico, se ne può attivare e disattivare il magnetismo. I biopolimeri e gli elastomeri drogati con il materiale ferromagnetico CrO2 si riscaldano se esposti al laser o alla luce solare, perdendo temporaneamente le loro proprietà magnetiche fino a che non si raffreddino nuovamente. I movimenti basilari dei materiali, in forma di film, spugne e idrogel sono indotti da magneti permanenti o elettromagneti nelle loro vicinanze e i movimenti possono essere di flessione, di torsione e di espansione.

Le applicazioni dei materiali compositi ceramici innovativi ad alte prestazioni sono numerose: lo sapevi che possono essere utilizzati per realizzare scudi automobilistici e antincendio? Leggi come noi di Thermocert abbiamo aiutato ENEA ad ingegnerizzarne alcuni utili per i settori dell’Edilizia e dei Trasporti. Clicca per scaricare il nostro case-study.

Il team

“Possiamo combinare questi semplici movimenti in movimenti più complessi come strisciare, camminare o nuotare” hanno detto Fiorenzo Omenetto, PhD, autore di riferimento dello Studio e Frank C. Doble, Professore della scuola di Ingegneria di Tufts “e questi movimenti possono essere attivati e controllati in modo wireless, usando la luce”

Il team di Omenetto ha fatto una dimostrazione di alcuni di questi complessi movimenti costruendo pinze morbide in grado di afferrare e rilasciare oggetti in risposta alla luce.

I vantaggi

“Uno dei vantaggi di questi materiali è che possiamo attivare in maniera selettiva porzioni di una struttura e controllarle utilizzando luce localizzata o focalizzata” ha detto Meng Li, il primo autore dell’articolo. “E diversamente da altri materiali attivati dalla luce basati sui cristalli liquidi, questi materiali possono essere modellati in modo o in direzione della luce o da allontanarsi dalla luce stessa. Tutte queste caratteristiche si sommano alla capacità di rendere gli oggetti grandi e piccoli con movimenti complessi, coordinati”.

Per dimostrare questa versatilità i ricercatori hanno costruito un semplice “motore di Curie”.
Uno strato sottile (film) attivato dalla luce è stato modellato a forma di anello e montato su un ago. Posizionato vicino ad un magnete permanente, quando il laser è focalizzato in un punto dell’anello, esso localmente demagnetizza quella porzione di anello, creando una forza netta non bilanciata che causa la rotazione dell’anello.
Durante la rotazione, il punto demagnetizzato riacquista le proprietà magnetiche e un nuovo punto è illuminato e demagnetizzato, causando la rotazione continua del motore.

I materiali impiegati

I materiali impiegati per dare luogo a materiali intelligenti attivati dalla luce includono:

  • polydimethylsoloxano (PDMS), un elastomero ampiamente utilizzato spesso formato in film flessibili;
  • fibroina di seta, un materiale biocompatibile con proprietà ottiche eccellenti e che può essere formato in un’ampia gamma di forme- dai film ai gel alle viti ai blocchi e alle spugne.
Esempio di PDMS

Esempio di PDMS

“Con configurazioni addizionali di materiale, luce e controllo del campo magnetico, potremmo raggiungere teoricamente anche movimenti più complessi e precisi come la piegatura, lo svolgimento, l’apertura e chiusura di valvole per microfluidi e micro nano motori “ha detto Omenetto.

Correlazioni con le proprietà termiche

Sarebbe molto interessante scoprire se anche le proprietà termiche di tali materiali intelligenti varino a seguito dei movimenti compiuti e ripetuti nel tempo, soprattutto in applicazioni come quelle degli array solari in cui la temperatura gioca un ruolo fondamentale.
Caratterizzare le proprietà termiche dei materiali oggetto della ricerca avvalendosi di differenti strumenti e studiarne la variazione, prima e dopo il movimento, è possibile con le soluzioni Thermocert.

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Questo lavoro è stato supportato dalla National Science Foundation (#1541959).

FONTE
Tufts University. “Scientists develop new materials that move in response to light: Elastomeric composites can flex, grip, release, or rotate when exposed to lasers, diffuse light or sunlight.” ScienceDaily, 24 July 2018 https://www.sciencedaily.com/releases/2018/07/180724174250.htm

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