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L’elettronica in grado di piegarsi, allungarsi e ripararsi da sola potrebbe potenzialmente funzionare in applicazioni che vanno dai robot più robusti agli abiti intelligenti

Le macchine che cambiano forma sono state a lungo un punto fermo della fantascienza, per una buona ragione. Considera il potere della malvagia macchina per uccidere nel film Terminator 2: Il giorno del giudizio del 1991. Quando arriva il T-1000 di metallo liquido, gli eroi si rendono presto conto di avere due grossi problemi: in primo luogo, il loro nemico può trasformarsi, trasformando appendici dall'aspetto umano in lame mortali. In secondo luogo, fare dei buchi nella macchina la rallenta a malapena; può guarire se stesso!

Le macchine autorigeneranti sono già tra noi. Naturalmente, la realtà non corrisponde del tutto a quella del T-1000, ma gli scienziati hanno scoperto che le due capacità della macchina immaginaria sono strettamente correlate. "La scienza fondamentale che dà origine ai materiali autorigeneranti è lo stesso comportamento che consente loro di cambiare forma", afferma Zhenan Bao, ingegnere chimico dell'Università di Stanford. E negli ultimi mesi, gli scienziati hanno sviluppato una nuova varietà di materiali con la capacità, tra le altre cose, di guarire e cambiare forma. I ricercatori hanno utilizzato queste sostanze per costruire nuovi tipi di elettronica con applicazioni nella robotica, nelle interfacce bioelettroniche, nei dispositivi indossabili e nei display avanzati. Queste macchine potrebbero anche essere più rispettose dell’ambiente rispetto a quelle realizzate con materiali tradizionali come il silicio e il metallo.

La scienza dei materiali autoriparanti risale a quasi due secoli fa, ma ha avuto un vero e proprio decollo negli anni ’70. Fu allora che i ricercatori iniziarono a studiare il potenziale di autoriparazione dei polimeri, grandi molecole costituite da parti ripetute, allo stesso modo in cui una catena è composta da collegamenti. La composizione della catena polimerica principale di una molecola, o “spina dorsale”, determina una serie di proprietà, tra cui la tenacità o l'elasticità della molecola. Alcuni polimeri curabili richiedono un fattore scatenante, come l’esposizione a una particolare temperatura, luce o pressione, per riannodare i legami rotti. Altri guariscono spontaneamente. Questi polimeri “dinamici” utilizzano legami molecolari più deboli di quelli della maggior parte delle molecole stabili. Ad esempio, molti materiali dinamici sono tenuti insieme da legami idrogeno, in cui gli atomi di idrogeno caricati positivamente attraggono altri atomi caricati negativamente. "La cosa bella dei legami idrogeno è che sono spontanei", afferma Carmel Majidi, ingegnere meccanico alla Carnegie Mellon University. “Non è necessario sciogliere o riscaldare i materiali; formano semplicemente questi legami al contatto.

I legami deboli conferiscono a tali materiali proprietà interessanti. “Sembra un solido. E se lo allunghi molto velocemente, si rompe come un solido. Ma se lo tieni, gocciola come un liquido”, dice Bao. “Le molecole non sono fissate sul posto, quindi queste reti polimeriche si formano e si dissociano continuamente”. Questa promiscuità è ciò che consente l’autoguarigione. “Quando danneggiamo il materiale, i legami si rompono. Ma quando si mettono insieme i pezzi, questi legami idrogeno si formano molto facilmente e il materiale recupera le sue proprietà meccaniche”, afferma Bao.

Lo stesso principio è alla base dell’elettronica estensibile. "Questi legami dinamici ci permettono di allungare il materiale fino a diverse centinaia di volte la sua dimensione originale perché i legami possono rompersi e riformarsi", dice Bao. Utilizzando più tipi di legami, con punti di forza diversi, si producono materiali flessibili e resistenti.

Tuttavia, i materiali necessitano di altre proprietà per l’uso nell’elettronica. Innanzitutto devono essere buoni conduttori. Tuttavia, la maggior parte dei polimeri sono isolanti. Una soluzione è quella di aggiungere particelle metalliche, nanofili o nanotubi di carbonio a un polimero per rendere conduttivo il materiale estensibile. Bao e i suoi colleghi hanno utilizzato tali approcci per costruire “pelli elettroniche” autorigeneranti che si adattano al corpo e sono in grado di rilevare la pressione e lo sforzo e di misurare la frequenza cardiaca.

Un'altra soluzione sono i metalli liquidi. In uno studio pubblicato all’inizio di quest’anno, Majidi e i suoi colleghi hanno introdotto microgocce di lega liquida in un gel polimerico punteggiato di scaglie d’argento. Il materiale risultante era elastico, autorigenerante e sufficientemente conduttivo da alimentare il motore di un robot morbido. “L’obiettivo finale è costruire sistemi elettronici e robotici che comprendano tutte le proprietà dei tessuti biologici”, afferma Majidi, “non solo per la funzionalità ma anche per la resilienza e l’autoguarigione”.