L’effetto... camaleonte di sensori e display biodegradabili in 3D

È possibile stampare in 3D sensori e display biodegradabili? I ricercatori del laboratorio Cellulose & Wood Materials dell’EMPA in Svizzera hanno sviluppato un materiale che permette proprio questo risultato.

Una miscela di idrossipropilcellulosa con acqua, nanotubi di carbonio e nanofibrille di cellulosa cambia colore quando viene riscaldata o stirata, senza l’aggiunta di alcun pigmento.

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Le utili e note caratteristiche dell’HPC di derivazione farmaceutica, cosmetica e alimentare

La domanda degli studiosi e del mondo dell’impresa era la seguente: un materiale elastico che cambia colore, conduce elettricità, può essere stampato in tre dimensioni ed essere allo stesso tempo biodegradabile? Non è solo un pio desiderio scientifico.

A Dübendorf i ricercatori del Laboratorio Federale Svizzero per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali hanno infatti prodotto un materiale con queste esatte proprietà a base di cellulosa e nanotubi di carbonio.

Gli scienziati svizzeri hanno iniziato con l’idrossipropilcellulosa (HPC), che tra le altre cose viene comunemente utilizzata come eccipiente nei prodotti farmaceutici, cosmetici e alimentari.

Quando viene mescolato con l’acqua, l’HPC è noto per formare cristalli liquidi. E questi cristalli hanno una proprietà notevole.

A seconda della loro struttura, che dipende, tra l’altro, dalla concentrazione di idrossipropilcellulosa, brillano con diverse tonalità, pur non avendo di per sé alcun colore o pigmento.

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Nessun pigmento, ma una divisione della luce, nelle piume dei pavoni e nelle ali delle farfalle

Questo fenomeno è chiamato colorazione strutturale ed è noto in natura.

Le piume dei pavoni, le ali delle farfalle e la pelle dei camaleonti ottengono tutta o parte della loro brillante colorazione non da pigmenti, ma da strutture microscopiche che “dividono” la luce del giorno (bianca) in colori spettrali e riflettono soltanto le lunghezze d’onda per colori specifici.

La colorazione strutturale dell’HPC cambia non soltanto con la concentrazione, ma anche con la temperatura.

Per sfruttare meglio questa proprietà, i ricercatori, guidati da Gustav Nyström, hanno aggiunto lo 0,1 per cento in peso di nanotubi di carbonio alla miscela di idrossipropilcellulosa e acqua.

Questo rende il liquido elettricamente conduttivo e permette di controllare la temperatura, e quindi il colore dei cristalli liquidi, applicando una tensione.

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Il carbonio aggiunto agisce come un assorbitore a banda larga e rende i colori più intensi

Un ulteriore vantaggio: il carbonio agisce come assorbitore a banda larga e rende i colori più intensi.

Incorporando una piccola quantità di nanofibre di cellulosa nella miscela, il team elvetico è riuscito anche a renderla stampabile in 3D senza influire sulla colorazione strutturale e sulla conduttività elettrica.

I ricercatori hanno utilizzato la nuova miscela di cellulosa per stampare in 3D diverse potenziali applicazioni della nuova tecnologia.

Tra queste, un sensore di deformazione che cambia colore in risposta alla deformazione meccanica e un semplice display a sette segmenti.

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Sviluppo futuro: verso un controllo della qualità degli alimenti o nella diagnostica biomedica

“Il nostro laboratorio ha già sviluppato diversi componenti elettronici monouso basati sulla cellulosa, come batterie e sensori”, spiega Xavier Aeby, coautore dello studio.

“Questa è la prima volta che siamo riusciti a sviluppare un display a base di cellulosa”.

In futuro, l’inchiostro a base di cellulosa potrebbe avere molte altre applicazioni, come sensori di temperatura e di deformazione, nel controllo della qualità degli alimenti o nella diagnostica biomedica.

“I materiali sostenibili che possono essere stampati in 3D sono di grande interesse, soprattutto per le applicazioni nell’elettronica biodegradabile e nell’Internet delle cose”, afferma Gustav Nyström, responsabile del laboratorio.

“Ci sono ancora molte domande aperte su come viene generata la colorazione strutturale e come cambia con diversi additivi e condizioni ambientali”.

Lo scienziato svedese e il suo team intendono continuare questa linea di lavoro nella speranza di scoprire molti altri fenomeni interessanti e potenziali applicazioni.

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