Materiali capaci di cambiare forma, rigidità o altre proprietà fisiche in risposta all’ambiente esterno: è questa la promessa degli smart material, una delle frontiere più interessanti della ricerca applicata. Temperatura, luce, pressione e campi elettrici o magnetici possono diventare veri e propri “comandi” in grado di attivare trasformazioni controllate, aprendo nuove possibilità in numerosi settori industriali. A lavorare per rendere questi materiali più semplici da produrre, più efficienti e facilmente utilizzabili su scala industriale sono i ricercatori di ENEA e Cnr, impegnati nello sviluppo di nuove soluzioni tecnologiche. Tra le applicazioni più promettenti ci sono quelle in ambito medico, dove gli smart material vengono studiati per dispositivi impiantabili come pacemaker e protesi articolari capaci di interagire con l’organismo e adattarsi agli stimoli fisiologici. Un altro settore emergente è quello degli idrogel intelligenti, materiali che possono modificare struttura e volume in risposta a variazioni di temperatura, pH o campi elettrici, permettendo un rilascio mirato e controllato dei farmaci.
Al centro delle attività del gruppo congiunto ENEA-Cnr ci sono però i polimeri fotomobili (Photomobile Polymers, PMP), una particolare classe di materiali intelligenti in grado di reagire alla luce producendo movimenti precisi. La ricerca è coordinata da Giuseppe Nenna per ENEA e Lucia Petti per il Cnr-ISASI. “Si tratta di materiali sensibili agli stimoli, che sono in grado di convertire l’energia luminosa in lavoro meccanico e che subiscono deformazioni controllate e reversibili quando vengono esposti a specifiche lunghezze d’onda della luce. Questi materiali offrono un’ampia gamma di potenziali applicazioni, che spaziano dall’optoelettronica alla microingegneria, dal settore biomedico fino alle scienze ambientali”, evidenzia Giuseppe Nenna, ricercatore ENEA del Laboratorio Componenti e sistemi intelligenti per la manifattura presso il Dipartimento Sostenibilità.
La luce come motore del movimento
Una delle caratteristiche principali dei polimeri fotomobili è la presenza di unità di azobenzene, molecole che rappresentano il motore del loro comportamento dinamico. Quando vengono illuminate con determinate lunghezze d’onda, queste strutture permettono al materiale di deformarsi in modo reversibile, trasformando l’energia luminosa in movimento. Il team ENEA-Cnr ha analizzato in particolare la risposta fotomeccanica dei PMP, studiando parametri fondamentali come l’angolo di flessione e la velocità di attuazione in diverse condizioni sperimentali. L’obiettivo è migliorare le prestazioni dei materiali e renderli più adatti a un impiego concreto.
Tra le strategie sperimentate c’è la laminazione dei film polimerici con uno strato di rame, una soluzione che permette una migliore gestione del calore e consente al materiale di resistere a livelli più elevati di irraggiamento senza perdere efficacia. I ricercatori hanno inoltre integrato nella matrice polimerica diverse nanoparticelle, tra cui carbon black, ossido di zinco e nanocubi d’argento, capaci di attivare indirettamente l’azobenzene, aumentando l’efficienza del movimento e riducendo i tempi di risposta.
Dalla luce solare alla soft robotics
Un ulteriore passo avanti riguarda la possibilità di ampliare la gamma di lunghezze d’onda utilizzabili dai polimeri fotomobili, rendendoli compatibili anche con la radiazione solare. Un risultato che potrebbe favorire lo sviluppo di sistemi adattivi e applicazioni nel campo della robotica morbida (soft robotics). “Alla recente Conferenza internazionale sulla scienza dei materiali e le nanotecnologie di Barcellona abbiamo presentato nuove strategie che permettono di allargare la banda di lunghezze d’onda utilizzabile dai polimeri fotomobili, in modo da renderli utilizzabili anche con la radiazione solare e da offrire una soluzione scalabile, destinata ad applicazioni nella soft robotics e nei sistemi adattivi”, conclude Nenna.
Le attività di ricerca del gruppo ENEA-Cnr sono state realizzate nell’ambito dei progetti PULSE-COM e ALICE. Quest’ultimo ha ricevuto un riconoscimento speciale nell’ambito dell’Innovation Village Award, premio dedicato ai progetti più innovativi nel settore dei nuovi materiali e dei materiali avanzati. La strada verso una nuova generazione di materiali capaci di adattarsi all’ambiente è dunque già tracciata: dai dispositivi medici intelligenti ai robot del futuro, gli smart material potrebbero diventare protagonisti di una trasformazione tecnologica sempre più vicina alla vita quotidiana.