Empa sviluppa sensori e display biodegradabili

È possibile produrre sensori e display biodegradabili tramite stampa 3D? I ricercatori del laboratorio “Cellulose & Wood Materials” dell’Empa hanno sviluppato un materiale che rende possibile esattamente questo. La miscela di idrossipropilcellulosa, acqua, nanotubi di carbonio e nanofibre di cellulosa cambia colore a seconda della temperatura e della deformazione – e tutto ciò senza l’aggiunta di pigmenti.

(Dübendorf) Un materiale elastico che cambia colore, conduce elettricità, può essere stampato in 3D ed è anche biodegradabile? Non è solo un’idea fantasiosa della scienza: esattamente questo “animale a più scopi” è stato realizzato dai ricercatori dell’Empa nel laboratorio “Cellulose & Wood Materials” di Dübendorf, utilizzando cellulosa e nanotubi di carbonio.

Come materia prima, i ricercatori hanno utilizzato idrossipropilcellulosa (HPC), che viene impiegata, tra l’altro, come eccipiente in prodotti farmaceutici, cosmetici e alimentari. Una particolarità dell’HPC è che, dopo l’aggiunta di acqua, forma cristalli liquidi. Questi cristalli liquidi hanno una proprietà notevole: a seconda della struttura cristallina – che dipende, tra l’altro, dalla concentrazione di HPC – brillano in una varietà di colori, anche se in realtà sono privi di colore o pigmento. Questo fenomeno è noto come colorazione strutturale ed è osservabile in natura: le piume dei pavoni, le ali delle farfalle e la pelle dei camaleonti ottengono la loro colorazione vivace non grazie a coloranti, ma attraverso strutture microscopiche che “scompongono” la luce bianca del giorno in colori spettrali e riflettono solo determinate lunghezze d’onda – ovvero: colori.

Il colore cambia anche con la temperatura

La colorazione strutturale dell’HPC cambia non solo con la concentrazione, ma anche con la temperatura. Per sfruttare meglio questa proprietà, i ricercatori guidati da Gustav Nyström hanno aggiunto alla miscela di HPC e acqua lo 0,1% in peso di nanotubi di carbonio. Questo rende il liquido elettricamente conduttivo e consente ai ricercatori di controllare la temperatura – e quindi il colore dei cristalli liquidi – applicando una tensione elettrica. Vantaggio: il carbonio funge da assorbitore a banda larga, intensificando i colori. Con un ulteriore additivo, una piccola quantità di nanofibre di cellulosa, il team di Nyström è riuscito a rendere la miscela stampabile in 3D, senza compromettere la colorazione e la conduttività.

Biodegradabile: il display è composto da 7 segmenti conduttivi che cambiano colore grazie al calore elettrico

Utilizzando la stampa 3D, i ricercatori hanno realizzato diversi esempi di applicazione dalla nuova miscela di cellulosa. Tra questi, un sensore di deformazione che cambia colore a seconda della deformazione meccanica, e un semplice display composto da sette segmenti controllati elettricamente. “Nel nostro laboratorio abbiamo già sviluppato diversi componenti elettronici basati sulla cellulosa, come batterie e sensori”, afferma Xavier Aeby, co-autore dello studio. “Questa è la prima volta che siamo riusciti a sviluppare anche un display basato sulla cellulosa.”

Possibili applicazioni diverse

In futuro, l’inchiostro a base di cellulosa potrebbe trovare numerose applicazioni diverse, ad esempio per sensori di temperatura e deformazione, per il controllo della qualità degli alimenti o per la diagnosi biomedica. “Materiali sostenibili che possono essere stampati in 3D sono di grande interesse, tra l’altro per applicazioni in elettronica biodegradabile e per l’Internet delle cose”, afferma il responsabile del laboratorio Nyström. “Ci sono ancora molte domande aperte su come si sviluppa la colorazione strutturale e come possa essere modificata da diversi additivi o influenze ambientali.” Nyström e il suo team intendono continuare a indagare su questo, sperando di scoprire ulteriori fenomeni interessanti e possibilità di applicazione.

Foto: © Empa