Materiale che si trasforma in una varietà di forme

Un team di ricercatori del Georgia Institute of Technology e della Ohio State University ha sviluppato un materiale polimerico morbido, chiamato polimero a memoria di forma magnetica, che utilizza campi magnetici per trasformarsi in una varietà di forme.

Il materiale potrebbe consentire una gamma di nuove applicazioni: dalle antenne che cambiano immediatamente le frequenze ai bracci di presa per oggetti delicati o pesanti. Il materiale è una miscela di tre diversi ingredienti, tutti con caratteristiche uniche: due tipi di particelle magnetiche, una per il calore induttivo e una con forte attrazione magnetica, e polimeri a memoria di forma per aiutare a bloccare in posizione varie variazioni di forma.

«Questo è il primo materiale che combina i punti di forza di tutti questi singoli componenti in un unico sistema capace di cambi di forma rapidi e riprogrammabili, bloccabili e reversibili», ha dichiarato H. Jerry Qi, (1) professore alla George W. Woodruff School of Mechanical Engineering presso Georgia Tech.

La ricerca, che è stata pubblicata sulla rivista Advanced Materials, (2) è stata sponsorizzata dalla National Foundation of Science, dall'Air Force Office of Scientific Research e dal Dipartimento dell'Energia.

Per realizzare il materiale, i ricercatori hanno iniziato distribuendo particelle di neodimio ferro boro (NdFeB) e ossido di ferro in una miscela di polimeri a memoria di forma. Una volta che le particelle sono state completamente incorporate, gli scienziati hanno quindi modellato la miscela in vari oggetti progettati per valutare il rendimento del materiale in una serie di applicazioni.

Ad esempio, il team ha realizzato un artiglio di presa da uno stampo a forma di 'T' della miscela di polimeri a memoria a forma magnetica. L'applicazione di un campo magnetico oscillante ad alta frequenza all'oggetto ha causato il riscaldamento delle particelle di ossido di ferro attraverso l'induzione e il riscaldamento dell'intera pinza. L'aumento di temperatura, a sua volta, ha fatto ammorbidire e diventare flessibile la matrice polimerica a memoria di forma. Un secondo campo magnetico è stato quindi applicato alla pinza, facendo aprire e chiudere i suoi artigli. Una volta che i polimeri a memoria di forma si raffreddano, rimangono bloccati in quella posizione.

Il processo di modifica della forma richiede, dall'inizio alla fine, solo pochi secondi e la resistenza del materiale ha consentito alla pinza di sollevare oggetti fino a 1.000 volte il proprio peso.

«Immaginiamo che questo materiale sia utile per le situazioni in cui un braccio robotico dovrebbe sollevare un oggetto molto delicato senza danneggiarlo, come nell'industria alimentare o per applicazioni chimiche o biomediche», ha detto H. Jerry Qi.

Il nuovo materiale si basa su ricerche precedenti che hanno delineato meccanismi di attuazione per la robotica leggera e materiali attivi e valutato i limiti delle tecnologie attuali.

«Il grado di libertà è limitato nella robotica convenzionale», ha detto la dottoressa Ruike (Renee) Zhao, (3) un assistente professore presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica e Aerospaziale nello Stato dell'Ohio. «Con materiali morbidi, quel grado di libertà è illimitato.»

I ricercatori hanno anche testato altre applicazioni, in cui gli oggetti a forma di bobina ricavati dal nuovo materiale si espandevano e si ritiravano, simulando il modo in cui un'antenna poteva potenzialmente cambiare frequenza quando attivata dai campi magnetici.

«Questo processo ci richiede di utilizzare i campi magnetici solo durante la fase di attuazione», ha detto la dottoressa Zhao. «Quindi, una volta che un oggetto ha raggiunto la sua nuova forma, può essere bloccato lì senza consumare costantemente energia.»

Questa ricerca è stata supportata dal programma di sovvenzione per la ricerca sui materiali della Ohio State University, finanziato dal Centro per i materiali emergenti della National Science Foundation con la concessione n. DMR-1420451. Il progetto è stato supportato anche dal Center for Exploration of Novel Complex Materials, dall'Institute for Materials Research, dall'Air Force Office of Scientific Research con la sovvenzione n. FA9550-19-1-0151, il Dipartimento dell'energia degli Stati Uniti con la sovvenzione n. DE -SC0001304, e tramite sovvenzioni della Fondazione Haythornthwaite. Il contenuto è di responsabilità degli autori e non rappresenta necessariamente le opinioni ufficiali delle agenzie sponsor.

Riferimenti:

(1) H. Jerry Qi

(2) Magnetic Shape Memory Polymers with Integrated Multifunctional Shape Manipulation

(3) Renee Zhao

Descrizione foto: questo oggetto è realizzato con un materiale speciale chiamato "polimero magnetico a memoria di forma". Può piegarsi e cambiare forma in risposta a un campo magnetico. - Credit: Allison Carter.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Tiny Magnetic Particles Enable New Material to Bend, Twist, and Grab