Lo sviluppo di questi tipi di dispositivi energetici malleabili aiuterà le tecnologie indossabili esistenti. Ad esempio miglioreranno gli smartwatch diventando più flessibili, comodi e affidabili. Ma Changyong Cao, direttore del Soft Machines and Electronics Laboratory presso la Michigan State University, sta anche immaginando nuove possibilità sfruttando la stampa in 4D.
Ad esempio, sta lavorando a tessuti intelligenti per monitorare i segni vitali degli atleti durante i giochi, skin elettroniche per ripristinare un certo senso del tatto per le persone che utilizzano protesi e impianti intelligenti in grado di monitorare la salute dei pazienti aiutando a sostenerla.
“Per i dispositivi impiantabili, necessita un’elettronica da integrare con i tessuti molli. Inoltre, si dovrebbero adattare al movimento del corpo“, afferma Cao, assistente professore presso la School of Packaging e nei dipartimenti di ingegneria meccanica ed elettrica e informatica. Il suo team lavora alle “piante indossabili”. Parliamo di sensori per le colture che possono allungarsi e piegarsi man mano che le piante crescono e si muovono.
“Le piante cambiano il loro orientamento e la loro forma nell’arco di 24 ore, anche senza variazioni di vento o ambiente“, afferma Cao. “È molto sorprendente e interessante, quindi siamo ansiosi di sviluppare sensori in grado di adattarsi alle diverse condizioni di crescita“.
Stampa in 4D: come può cambiare il futuro?
Per alimentare questi dispositivi, Cao e i suoi colleghi stanno creando le mietitrici. Sono dispositivi elettronici che convertono l’energia del movimento in elettricità. Ad esempio, questa estate Cao ha guidato un team che ha costruito sensori per rilevare gli incendi boschivi che potrebbero essere alimentati dal vento. Tali sensori consentirebbero ai ranger di monitorare vaste aree di foreste senza dover sostituire o ricaricare le batterie.
Un ingrediente chiave in quei circuiti di raccolta di energia è un componente noto come supercondensatore. Utilizza l’elettrochimica per caricarsi e scaricarsi come le batterie, ma molto più velocemente. Il team di Cao ha sviluppato un metodo per creare supercondensatori in grado di raggiungere nuovi limiti senza compromettere le loro prestazioni elettrochimiche. Il metodo è un tipo di cosiddetta stampa in 4D, ovvero la creazione di strutture 3D che cambiano nel tempo.
Le nuove tecnologie sulla stampa che cambia nel tempo
Il team ha utilizzato una stampante a getto aerosol per depositare direttamente un inchiostro appositamente formulato su un substrato polimerico estensibile. Funziona esattamente come una stampante a getto d’inchiostro. Questi materiali stampati costituiscono la base dei supercondensatori elastici grazie a due innovazioni.
Innanzitutto, l’inchiostro presenta una miscela di materiali di carbonio conduttivi per soddisfare le proprietà elettrochimiche e meccaniche desiderate dal team. Contiene sia tubi nanoscopici di carbonio che fogli di carbonio estremamente sottili, noti come ossido di grafene ridotto. “I nanotubi di carbonio hanno prestazioni elettrochimiche inferiori rispetto al grafene, ma il grafene non ha una buona solubilità nel nostro solvente per inchiostro, rendendo difficile la formazione di un inchiostro stabile“, afferma Cao. “La loro combinazione con l’additivo polimerico conduttivo ci ha dato il meglio di entrambi i mondi, buona forza di adesione, robustezza meccanica, conduttività superiore e compatibilità di stampa“.
La seconda innovazione è una forma di origami scientifica. I ricercatori sapevano che se fossero riusciti a far asciugare il loro inchiostro in un motivo rugoso, quasi come una fisarmonica, che l’avrebbe aiutato a rimanere elastico per tutta la sua vita. Per ottenere questo modello automaticamente, hanno allungato il loro substrato polimerico e hanno stampato il loro inchiostro personalizzato su di esso. Quando gli inchiostri si sono polimerizzati nelle giuste condizioni, i ricercatori hanno rilasciato la base e lasciata che si rilassi alla sua forma iniziale, e sostanzialmente ha piegato le pellicole stampate nel modello previsto.
Fonte immagine copertina: Pixabay
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