Riprodurre la sensibilità e la capacità di proteggerci dalle aggressioni esterne della nostra pelle: questo l’ obiettivo dei ricercatori della Stanford University guidati dalla professoressa Zhenan Bao. La ricerca, pubblicata su Nature Nanotechnology, dimostra che i ricercatori sono riusciti a creare il primo materiale che, oltre a essere sensibile, è anche in grado di autoripararsi.
Altre ricerche si erano occupate di questo argomento, ma le difficoltà che si incontravano riguardavano il fatto che l’autoriparazione avveniva a temperature molto calde e quindi impediva l’uso quotidiano. Oppure anche se il tessuto era in grado di ripararsi a temperatura ambiente, dopo la metamorfosi cambiava le proprie caratteristiche chimiche. Una cosa positiva però, è che il tessuto era sempre un buon conduttore di elettricità, cosa importante per interfacciarlo con il mondo digitale.
I ricercatori sono riusciti, combinando due ingredienti, ad ottenere ciò che Bao chiama “il meglio dei due mondi” – la capacità di autoripararsi di un polimero di plastica e la conduttività di un metallo.
Hanno iniziato con una plastica costituita da lunghe catene di molecole unite da legami di idrogeno caratterizzati da attrazioni relativamente deboli tra la regione di carica positiva di un atomo e la regione di carica negativa del successivo.
“Questi legami dinamici consentono al materiale di autoripararsi”, ha spiegato Wang Chao. Le molecole si rompono facilmente, ma poi, quando si riconnettono, i legami si riorganizzano e ripristinano la struttura del materiale.
A questo polimero elastico, i ricercatori hanno aggiunto minuscole particelle di nichel, che aumentano la resistenza meccanica. Le superfici su scala nanometrica delle particelle di nichel sono ruvide, cosa che si è rivelata importante nel rendere il materiale conduttivo.
Il risultato è un polimero con caratteristiche non comuni. “La maggior parte dei materiali plastici sono buoni isolanti, ma questo è un ottimo conduttore,” ha detto Bao.
Il passo successivo è stato quello di vedere come il materiale avrebbe potuto ripristinare sia la resistenza meccanica che la sua conducibilità elettrica dopo un danno.
I ricercatori hanno preso una sottile striscia di materiale e l’hanno tagliata a metà con un bisturi. Dopo una leggera pressione i pezzi sono tornati insieme recuperando il 75 per cento della sua forza originale e della sua conducibilità elettrica. Dopo circa mezz’ora il polimero era tornato quasi allo stato originario.
La cosa incredibile è che lo stesso campione può essere tagliato più volte nello stesso punto. Dopo 50 tagli e riparazioni, un campione ha resistito a flessioni e stiramenti proprio come l’originale.
La natura composita del materiale ha creato una nuova sfida per la squadra di ingegneri. Bao e i suoi co-autori hanno scoperto che, sebbene il nichel sia stato fondamentale per rendere il materiale resistente e conduttore, ha anche avuto un ruolo nel processo di autoriparazione.
La squadra ha anche esplorato la possibilità di diventare sensibile della pelle, cioè di fungere da sensore. Per gli elettroni che costituiscono una corrente elettrica, cercare di passare attraverso questo materiale è come cercare di attraversare un ruscello saltando di pietra in pietra. Le pietre in questa analogia sono le particelle di nichel, e la distanza che li separa determina quanta energia sia necessaria perchè un elettrone passi da una pietra all’altra.
Facendo pressione o una torsione sulla pelle sintetica si cambia la distanza tra le particelle di nichel e, di conseguenza, la facilità con cui gli elettroni possono muoversi. Questi cambiamenti sottili nella resistenza elettrica possono essere tradotti in informazioni sulla pressione e la tensione sulla pelle.
Secondo i ricercatori il materiale è abbastanza sensibile per rilevare la pressione di una stretta di mano. Si potrebbe, quindi già utilizzare nelle protesi. Il materiale è sensibile non solo alla pressione verso il basso, ma anche alla flessione, quindi un arto protesico potrebbe un giorno essere in grado di registrare il grado di curvatura di una giuntura.
Ma le possibili applicazioni sono anche altre: le apparecchiature elettriche e i fili rivestiti in questo materiale si potrebbero autoriparare riparare senza una manutenzione costosa e difficile, soprattutto in luoghi non facilmente raggiungibili , come ad esempio all’interno di pareti di edifici o di veicoli.