Il materiale morbido ed elastico mostra un potenziale multi-ruolo / Soft and stretchable material shows multi-role potential

Il materiale morbido ed elastico mostra un potenziale multi-ruolo / Soft and stretchable material shows multi-role potential

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori della Penn State hanno sviluppato un nuovo materiale morbido ed elastico che può essere stampato in 3D. Il materiale può essere utilizzato per fabbricare dispositivi indossabili, come un sensore che può essere indossato su un dito /  Penn State researchers developed a new soft and stretchable material that can be 3D-printed. The material can be used to fabricate wearable devices, such a sensor that can be worn on a finger 

I ricercatori della Penn State University hanno sviluppato un materiale morbido ed elastico stampato in 3D con potenziali applicazioni nella robotica morbida, nell'elettronica integrata nella pelle e nei dispositivi biomedici.

Il loro approccio impiega un processo che elimina molti svantaggi dei precedenti metodi di fabbricazione, come una minore conduttività o guasti del dispositivo, ha affermato il gruppo. Le loro scoperte sono state pubblicate in  Advanced Materials.   

In una dichiarazione, il professore associato della Penn State Tao Zhou ha affermato: "Da quasi un decennio si sviluppano conduttori morbidi ed estensibili, ma la conduttività non è solitamente molto elevata.

"I ricercatori hanno capito che potevano raggiungere un'elevata conduttività con conduttori a base di metallo liquido, ma il limite significativo di ciò è che è necessario un metodo secondario per attivare il materiale prima che possa raggiungere un'elevata conduttività". 

I conduttori estensibili a base di metallo liquido presentano una complessità intrinseca e difficoltà dovute al processo di attivazione post-fabbricazione, hanno affermato i ricercatori.

I metodi di attivazione secondaria includono lo stiramento, la compressione, l'attrito di taglio, la sinterizzazione meccanica e l'attivazione laser, tutti metodi che possono comportare difficoltà di fabbricazione e causare perdite di metallo liquido, con conseguente guasto del dispositivo.   

"Il nostro metodo non richiede alcuna attivazione secondaria per rendere il materiale conduttivo", ha affermato Zhou. "Il materiale può autoassemblarsi per rendere la sua superficie inferiore molto conduttiva e la sua superficie superiore autoisolante". 

Nel nuovo metodo, i ricercatori combinano metallo liquido, una miscela di polimeri conduttivi chiamata PEDOT:PSS e poliuretano idrofilo che consente al metallo liquido di trasformarsi in particelle.

Quando il materiale morbido composito viene stampato e riscaldato, le particelle di metallo liquido sulla sua superficie inferiore si autoassemblano formando un percorso conduttivo.

Le particelle nello strato superiore sono esposte a un ambiente ricco di ossigeno e si ossidano, formando uno strato superiore isolante.

Lo strato conduttivo è fondamentale per trasmettere informazioni al sensore, come la registrazione dell'attività muscolare e la rilevazione della tensione sul corpo, mentre lo strato isolante aiuta a prevenire perdite di segnale che potrebbero portare ad una raccolta di dati meno accurata. 

"La nostra innovazione qui riguarda i materiali", ha affermato Zhou. "Normalmente, quando il metallo liquido si mescola con i polimeri, non sono conduttivi e richiedono un'attivazione secondaria per ottenere la conduttività. Ma questi tre componenti consentono l'autoassemblaggio che produce l'elevata conduttività di materiale morbido ed estensibile senza un metodo di attivazione secondaria".  

Il materiale può anche essere stampato in 3D, ha detto Zhou, rendendo più facile la fabbricazione di dispositivi indossabili. I ricercatori stanno continuando ad esplorare potenziali applicazioni, con un focus sulla tecnologia assistiva. 

ENGLISH

Researchers at Penn State University have developed a soft and stretchable 3D-printed material with potential applications in soft robotics, skin-integrated electronics and biomedical devices.

Their approach employs a process that eliminates many drawbacks of previous fabrication methods, such as less conductivity or device failure, the team said. Their findings have been published in Advanced Materials.   

In a statement, Penn State Assistant Professor Tao Zhou said: “People have been developing soft and stretchable conductors for almost a decade, but the conductivity is not usually very high.

“Researchers realised they could reach high conductivity with liquid metal-based conductors, but the significant limitation of that is that it requires a secondary method to activate the material before it can reach a high conductivity.” 

Liquid metal-based stretchable conductors suffer from inherent complexity and challenges posed by the post-fabrication activation process, the researchers said.

Secondary activation methods include stretching, compressing, shear friction, mechanical sintering and laser activation, all of which can lead to challenges in fabrication and can cause the liquid metal to leak, resulting in device failure.   

“Our method does not require any secondary activation to make the material conductive,” said Zhou. “The material can self-assemble to make its bottom surface be very conductive and its top surface self-insulated.” 

In the new method, the researchers combine liquid metal, a conductive polymer mixture called PEDOT:PSS and hydrophilic polyurethane that enables the liquid metal to transform into particles.

When the composite soft material is printed and heated, the liquid metal particles on its bottom surface self-assemble into a conductive pathway.

The particles in the top layer are exposed to an oxygen-rich environment and oxidise, forming an insulated top layer.

The conductive layer is critical for conveying information to the sensor — such as muscle activity recordings and strain sensing on the body — while the insulated layer helps prevent signal leakage that could lead to less accurate data collection. 

“Our innovation here is a materials one,” said Zhou. “Normally, when liquid metal mixes with polymers, they are not conductive and require secondary activation to achieve conductivity. But these three components allow for the self-assembly that produces the high conductivity of soft and stretchable material without a secondary activation method.”  

The material can also be 3D-printed, Zhou said, making it easier to fabricate wearable devices. The researchers are continuing to explore potential applications, with a focus on assistive technology.

Da:

https://www.theengineer.co.uk/content/news/soft-and-stretchable-material-shows-multi-role-potential