Pusan National University e Oak Ridge National Laboratory lavorano su elastomeri programmabili
Un gruppo di ricercatori della Pusan National University, in Corea del Sud, e dell’Oak Ridge National Laboratory (ORNL), negli Stati Uniti, ha sviluppato un metodo di stampa 3D che consente di controllare l’orientamento molecolare degli elastomeri a cristalli liquidi durante la deposizione del materiale. Il risultato è la possibilità di produrre strutture morbide capaci di espandersi oppure contrarsi quando vengono riscaldate, programmando questo comportamento direttamente durante il processo di stampa.
Il lavoro, guidato dal professor Suk-kyun Ahn della Pusan National University con la collaborazione di ricercatori dell’ORNL, è stato pubblicato il 10 luglio 2026 su Nature Communications con il titolo Alignment switching in 3D-printed smectic liquid crystal elastomers.
Il punto centrale della ricerca non riguarda soltanto la formulazione di un materiale sensibile alla temperatura. Gli elastomeri a cristalli liquidi, indicati con la sigla LCE, sono già studiati da anni per applicazioni nei sistemi di attuazione, nella robotica morbida e nei materiali a memoria di forma. L’elemento interessante del nuovo approccio è la capacità di modificare l’orientamento delle molecole utilizzando parametri della stessa macchina di stampa, in particolare temperatura e velocità di deposizione.
In questo modo una parte non viene semplicemente costruita secondo una geometria tridimensionale: all’interno della struttura viene incorporata anche un’informazione relativa al modo in cui quella geometria dovrà deformarsi quando sottoposta a uno stimolo termico.
Dalla stampa 3D alla programmazione del movimento
Gli elastomeri a cristalli liquidi combinano due caratteristiche che normalmente appartengono a categorie di materiali differenti. Da una parte possiedono la capacità di deformazione tipica degli elastomeri, dall’altra conservano una struttura molecolare ordinata riconducibile ai cristalli liquidi.
Al loro interno sono presenti unità molecolari allungate, chiamate mesogeni, il cui orientamento influenza direttamente il comportamento meccanico del materiale.
Quando l’ordine molecolare cambia con la temperatura, anche le dimensioni macroscopiche del materiale possono modificarsi. Un LCE opportunamente orientato può quindi accorciarsi lungo una determinata direzione ed espandersi lungo quella perpendicolare.
La possibilità di decidere in quale direzione collocare questi orientamenti durante la fabbricazione equivale, in sostanza, a programmare il movimento futuro del componente.
Questo concetto porta il processo nell’area comunemente definita stampa 4D. La quarta dimensione non identifica una nuova coordinata geometrica della macchina: indica piuttosto l’evoluzione nel tempo di un oggetto stampato, che modifica forma o proprietà quando entra in contatto con uno stimolo esterno.
Il limite degli elastomeri nematici stampati in 3D
Molti precedenti sistemi di stampa Direct Ink Writing degli elastomeri a cristalli liquidi utilizzano materiali nella fase nematica.
In un cristallo liquido nematico le molecole tendono a orientarsi secondo una direzione comune, senza però essere organizzate in veri e propri strati. Durante l’estrusione attraverso un ugello, il flusso tende a disporre le molecole parallelamente alla traiettoria di stampa.
Questo comportamento è utile perché permette di ottenere un orientamento controllabile, ma presenta un limite: all’interno dello stesso filamento il movimento ottenibile rimane principalmente associato a una sola configurazione molecolare.
Il gruppo della Pusan National University e dell’Oak Ridge National Laboratory ha scelto invece una formulazione appartenente alla famiglia dei cristalli liquidi smectici.
Nella fase smectica le molecole non sono soltanto orientate: tendono anche a organizzarsi in strati. Questa struttura aggiuntiva permette di ottenere comportamenti differenti quando il materiale viene sottoposto a variazioni di temperatura e di sollecitazione durante l’estrusione.
È proprio questa caratteristica che i ricercatori hanno utilizzato come strumento di programmazione.
Un unico inchiostro, due orientamenti molecolari
Il principio sperimentale parte da un inchiostro smectogenico progettato per il Direct Ink Writing.
In determinate condizioni di temperatura e velocità di deposizione, gli strati smectici vengono conservati durante il passaggio attraverso l’ugello. Le molecole finiscono così per assumere un orientamento prevalentemente perpendicolare rispetto alla direzione di stampa.
Aumentando invece la velocità del processo, oppure modificando opportunamente la temperatura, le sollecitazioni di taglio possono alterare la struttura stratificata. Quando l’ordine smectico viene destabilizzato, le molecole tendono a riallinearsi nella direzione del flusso.
Il sistema può quindi passare da un orientamento perpendicolare a uno parallelo senza sostituire materiale e senza introdurre un secondo inchiostro.
Dal punto di vista della progettazione è un passaggio importante: lo stesso filamento può essere programmato per allungarsi oppure per contrarsi quando viene riscaldato.
Non è quindi necessario costruire ogni comportamento attraverso differenti materiali, giunti o componenti meccanici.
Temperatura e velocità diventano parametri funzionali
Gli esperimenti mostrano quanto la relazione tra temperatura e velocità sia determinante.
Il materiale utilizzato dal gruppo presenta, prima della fotopolimerizzazione, una transizione dalla fase smectica a quella isotropa intorno ai 40 °C. Dopo la reticolazione, le caratteristiche termiche cambiano e la temperatura di transizione del materiale finale sale.
Durante le prove di stampa sono state utilizzate temperature dell’ugello comprese indicativamente tra 35 e 45 °C, mentre la velocità di traslazione è stata variata tra 2 e 30 millimetri al secondo.
A 35 °C l’ordine smectico risulta sufficientemente stabile da mantenere un orientamento molecolare prevalentemente perpendicolare alla direzione di stampa anche variando la velocità.
Intorno ai 40 °C il sistema entra invece in una zona particolarmente interessante: aumentando la velocità di stampa, l’orientamento può passare dalla configurazione perpendicolare a quella parallela.
A velocità intermedie sono state rilevate anche configurazioni miste.
Quando la temperatura dell’ugello raggiunge valori superiori alla transizione, l’effetto dell’ordine smectico diminuisce e l’allineamento provocato dal flusso assume maggiore importanza.
In altri termini, temperatura e velocità non servono più soltanto a garantire una corretta estrusione: diventano variabili con cui definire la funzione meccanica del pezzo.
La velocità di stampa controlla anche il taglio applicato al materiale
Il fenomeno può essere descritto anche attraverso il tasso di taglio generato tra ugello e superficie di deposizione.
Nei test è stato utilizzato un ugello con diametro interno di 0,4 millimetri, mantenuto a circa 0,2 millimetri dal substrato.
Con queste condizioni, velocità di 2, 3, 5, 10, 15, 20 e 30 mm/s corrispondono indicativamente a tassi di taglio di 10, 15, 25, 50, 75, 100 e 150 s⁻¹.
Nella zona prossima alla temperatura di transizione, il cambiamento principale di orientamento è stato individuato nell’intervallo di circa 50-75 s⁻¹.
I ricercatori hanno inoltre verificato il comportamento utilizzando differenti diametri dell’ugello e differenti distanze dalla superficie. I risultati indicano che il parametro fisico determinante non è semplicemente la velocità assoluta della macchina, ma il tasso di taglio effettivamente applicato all’inchiostro.
Questo aspetto può avere conseguenze importanti pensando alla trasferibilità del processo da una piattaforma di stampa a un’altra.
Da +28% di allungamento a -31% di contrazione
Il controllo dell’orientamento molecolare produce differenze misurabili nel comportamento delle parti stampate.
Variando temperatura dell’ugello tra 35 e 45 °C e velocità nell’intervallo utilizzato dai ricercatori, un singolo filamento ha mostrato risposte comprese tra circa +28% di allungamento e -31% di contrazione.
Questo significa che modificando parametri impartiti durante la stampa è possibile cambiare non soltanto l’intensità della deformazione, ma anche il suo segno.
Una porzione del componente può quindi diventare più lunga durante il riscaldamento mentre un’altra, realizzata con lo stesso materiale, può accorciarsi.
Associando regioni con comportamento opposto si ottengono curvature, ondulazioni e deformazioni fuori piano senza dover introdurre articolazioni meccaniche tradizionali.
Il ruolo della stampa Direct Ink Writing
Per la produzione dei campioni il gruppo ha utilizzato una stampante Dr. INVIVO 4D di ROKIT Healthcare, equipaggiata con un sistema pneumatico di deposizione a caldo.
Le traiettorie di stampa sono state elaborate utilizzando NewCreator K di ROKIT Healthcare, intervenendo successivamente sul G-code per controllare velocità, movimenti del piano e posizione dell’ugello.
La pressione di estrusione è stata mantenuta a circa 500 kPa.
Dopo la deposizione, il materiale viene reticolato attraverso esposizione alla luce ultravioletta, fissando l’orientamento ottenuto durante la stampa. Per le strutture multistrato viene effettuata una polimerizzazione parziale tra uno strato e quello successivo, seguita da un trattamento UV finale.
Questo passaggio permette di trasformare l’orientamento temporaneamente generato durante il flusso in una caratteristica permanente della rete elastomerica.
La formulazione dell’inchiostro
L’inchiostro sperimentale è stato preparato utilizzando un mesogeno diacrilato C6BAPE fornito da Chemfish Tokyo Co., Ltd, n-butilammina di Sigma-Aldrich come estensore di catena e Irgacure 651 di BASF Corporation come fotoiniziatore.
La reazione utilizzata per produrre l’oligomero sfrutta un’addizione aza-Michael. La miscela viene successivamente trattata termicamente prima di essere caricata nel sistema di estrusione.
La formulazione è stata sviluppata per conservare la fase smectica necessaria al meccanismo di orientamento e, contemporaneamente, consentire la fotopolimerizzazione dopo la deposizione.
È quindi l’interazione tra chimica del materiale e parametri di processo a rendere possibile la programmazione.
Raggi X, reologia e simulazione molecolare per osservare il meccanismo
La semplice osservazione della forma finale non è sufficiente per determinare il comportamento delle molecole all’interno di un LCE.
Il gruppo ha quindi combinato diverse tecniche di caratterizzazione.
Le misure reologiche sono state eseguite utilizzando, tra le altre apparecchiature, un reometro HR-20 di TA Instruments, studiando la viscosità dell’inchiostro a differenti temperature e valori di taglio.
Le analisi hanno evidenziato un comportamento di shear thinning articolato in più regimi nella fase smectica. Quando il taglio aumenta oltre una determinata soglia, la struttura stratificata viene progressivamente disturbata e il sistema passa a una configurazione in cui l’allineamento lungo il flusso diventa dominante.
Per osservare direttamente l’ordine molecolare sono state utilizzate misure WAXS, cioè scattering di raggi X ad ampio angolo, presso il Pohang Accelerator Laboratory. Il sistema sperimentale comprendeva anche un rivelatore di Rayonix, LLC.
Le osservazioni al microscopio sono state effettuate utilizzando un Nikon Eclipse LV100N POL insieme a uno stadio termico Linkam LTS420.
Le prove meccaniche e i cicli termici sono stati invece caratterizzati con un analizzatore dinamico Q850 di TA Instruments.
A queste misure sperimentali si sono aggiunte simulazioni di dinamica molecolare non all’equilibrio, necessarie per studiare ciò che accade alle strutture smectiche durante l’applicazione del taglio.
Le simulazioni hanno confermato il quadro sperimentale: sotto una determinata soglia gli strati possono scorrere conservando la propria organizzazione, mentre a tagli maggiori la struttura stratificata perde ordine e i mesogeni tendono a riallinearsi secondo il flusso.
Strutture capaci di sostenere centinaia di volte il proprio peso
Uno degli aspetti più interessanti del lavoro emerge passando dai singoli filamenti alle strutture tridimensionali.
Il gruppo ha stampato matrici concentriche multistrato impostando temperature differenti.
Una struttura a tre strati realizzata a 35 °C ha assunto durante il riscaldamento una topografia simile a una griglia tridimensionale. Nei test ha sostenuto circa 112,6 grammi, equivalenti a circa 266 volte il proprio peso, mantenendo una deformazione verticale superiore a 3 millimetri prima del collasso.
Una seconda configurazione, stampata a temperatura più alta e programmata per formare più coni, ha sollevato circa 302,6 grammi, corrispondenti a circa 887 volte il proprio peso, mantenendo una deformazione verticale superiore a un millimetro.
Questi risultati non significano che gli LCE siano destinati a sostituire strutture portanti convenzionali. Dimostrano però che una geometria leggera e deformabile può produrre una forza utile mentre cambia configurazione.
Reticoli che allargano e restringono i propri pori
Il gruppo ha prodotto anche reticoli triangolari composti da cinque strati.
Cambiando le condizioni di stampa è stato possibile ottenere variazioni dell’area dei pori nell’ordine di +44% per le configurazioni espansive e -52% per quelle contrattive.
Ancora più interessante è la possibilità di inserire i due comportamenti nello stesso reticolo.
Una struttura con una regione interna programmata per contrarsi e una regione esterna programmata per espandersi può trasformarsi, durante il riscaldamento, da una configurazione prevalentemente esagonale a una geometria che ricorda un ingranaggio.
Alternando invece strati con deformazioni opposte si possono ottenere curvature fuori piano e geometrie simili a un boomerang.
La forma finale non viene quindi determinata esclusivamente dal modello CAD, ma dall’insieme formato da geometria, traiettoria di stampa, orientamento molecolare e risposta termica.
La velocità può essere più pratica della temperatura
Modificare la temperatura durante la stampa richiede il tempo necessario al sistema per riscaldarsi o raffreddarsi.
La variazione della velocità presenta da questo punto di vista un vantaggio: può essere applicata lungo la stessa traiettoria quasi immediatamente.
I ricercatori hanno dimostrato che a circa 40 °C differenti velocità possono essere utilizzate per generare all’interno della stessa struttura zone con risposte diverse.
Con un ugello da 0,4 millimetri sono stati programmati segmenti con differente orientamento lunghi circa un millimetro all’interno dello stesso filamento.
In prospettiva, la risoluzione ottenibile dipenderà dalla geometria dell’ugello, dalle proprietà dell’inchiostro e dal controllo del sistema di estrusione.
Superfici che passano da piatte a tridimensionali
Un’altra dimostrazione riguarda la combinazione dell’LCE con un polimero a memoria di forma.
Depositando filamenti attivi su un substrato passivo è possibile sfruttare la differenza di deformazione tra i due strati per produrre superfici concave, convesse oppure ondulate.
I ricercatori hanno aggiunto un pigmento nero per consentire l’attivazione fototermica tramite radiazione nel vicino infrarosso.
Sono state così realizzate superfici capaci di passare da uno stato piano a topografie programmate, comprese configurazioni ondulate, depressioni simili alla superficie di una pallina da golf e rappresentazioni tridimensionali più articolate.
Dopo il raffreddamento il sistema può ritornare alla configurazione iniziale.
Questa capacità suggerisce applicazioni in interfacce tattili, superfici riconfigurabili e componenti in cui la rugosità o la geometria superficiale debbano essere modificate in funzione delle condizioni operative.
Cento cicli termici senza un degrado significativo
Un materiale destinato agli attuatori deve poter ripetere il proprio movimento.
Per questo motivo i ricercatori hanno sottoposto alcuni campioni a 100 cicli di riscaldamento e raffreddamento tra 10 e 100 °C.
La variazione della deformazione misurata nell’arco della prova è rimasta nell’ordine dell’1,5%, senza una perdita significativa della capacità di attuazione.
Sono state misurate anche le forze sviluppate durante il movimento. In condizioni sperimentali differenti, gli attuatori espansivi e contrattivi hanno prodotto valori di blocking stress nell’ordine rispettivamente di +0,30 MPa e -0,51 MPa.
Questi dati aiutano a distinguere una semplice dimostrazione visiva di shape morphing da un sistema capace di sviluppare anche una risposta meccanica misurabile.
Soft robotics e muscoli artificiali
Una delle applicazioni più immediate riguarda la soft robotics.
Molti robot tradizionali utilizzano motori elettrici, riduttori, cuscinetti, leveraggi e articolazioni rigide. I sistemi morbidi cercano invece di ottenere il movimento attraverso la deformazione stessa del materiale.
Un LCE stampabile e programmabile potrebbe consentire di incorporare parte della funzione dell’attuatore direttamente nella struttura.
La capacità di inserire espansione e contrazione nello stesso filamento apre inoltre la possibilità di progettare movimenti simili a quelli generati da gruppi muscolari antagonisti.
Per arrivare a veri muscoli artificiali utilizzabili in robot industriali o umanoidi sono necessari ulteriori sviluppi relativi a velocità di risposta, controllo, produzione della forza, durata e modalità di attivazione. Il lavoro della Pusan National University e dell’ORNL fornisce però una piattaforma con cui studiare questi problemi partendo dalla programmazione molecolare del materiale.
Display tattili e superfici riconfigurabili
Un secondo settore riguarda le interfacce aptiche.
Una superficie piatta che possa generare localmente rilievi, depressioni, onde o texture potrebbe modificare la sensazione percepita dal dito senza utilizzare matrici dense di piccoli attuatori elettromeccanici.
Una tecnologia di questo tipo potrebbe essere studiata per pannelli di controllo, interfacce accessibili, sistemi di navigazione tattile e display capaci di modificare fisicamente la propria superficie.
Il vantaggio concettuale degli LCE stampati risiede nella possibilità di incorporare l’architettura dell’attuazione direttamente durante la fabbricazione.
Texture adattive per il controllo aerodinamico
I ricercatori indicano anche le superfici destinate alla gestione della resistenza aerodinamica tra le possibili applicazioni.
Una superficie in grado di cambiare texture potrebbe, in linea teorica, essere adattata alle condizioni di flusso di un veicolo, di un drone o di un componente aerodinamico.
Prima di arrivare a un’applicazione reale sarebbe necessario affrontare aspetti come temperatura di attivazione, tempi di risposta, resistenza agli agenti atmosferici, durata sotto carico e integrazione con strutture più rigide.
Il principio dimostrato permette comunque di considerare la geometria superficiale come una proprietà modificabile e non necessariamente fissa dopo la produzione.
Dispositivi biomedicali e strutture minimamente invasive
Pusan National University e ORNL indicano anche la possibilità di studiare questi materiali per dispositivi biomedicali minimamente invasivi.
Una struttura compatta potrebbe essere introdotta attraverso un accesso di piccole dimensioni e modificare successivamente la propria configurazione.
Si tratta però di un campo che richiede requisiti molto più stringenti rispetto a una dimostrazione di laboratorio: biocompatibilità, sterilizzazione, stabilità chimica, temperatura di attivazione, affidabilità e sicurezza dovrebbero essere valutate specificamente per ogni applicazione.
La ricerca pubblicata non presenta quindi un dispositivo medico pronto all’uso, ma un metodo di fabbricazione che potrebbe diventare uno degli strumenti disponibili per sviluppare componenti deformabili.
Un risultato ancora legato alle condizioni di laboratorio
È importante osservare anche i limiti del lavoro.
Gli esperimenti sono stati realizzati con una specifica formulazione di elastomero smectico e con parametri controllati di laboratorio. Passare da campioni dimostrativi a una produzione industriale richiederà la validazione di altri materiali, ugelli, velocità, dimensioni e sistemi di deposizione.
Dovranno inoltre essere valutate la ripetibilità tra differenti macchine, la stabilità su migliaia o milioni di cicli, il comportamento sotto carichi reali e la possibilità di ridurre le temperature necessarie per alcune applicazioni.
Anche la velocità dell’attuazione termica può rappresentare un limite, perché il materiale deve assorbire o disperdere calore prima di completare la trasformazione.
Il controllo tramite luce, riscaldamento localizzato o formulazioni sensibili ad altri stimoli potrebbe diventare uno dei percorsi di sviluppo.
Il materiale entra nel processo di progettazione
L’aspetto più significativo del lavoro della Pusan National University e dell’Oak Ridge National Laboratory riguarda il rapporto tra materiale e processo produttivo.
Nella stampa 3D convenzionale il progettista stabilisce soprattutto dove depositare il materiale. Con questo approccio deve essere deciso anche come depositarlo, perché temperatura, velocità e conseguente orientamento molecolare determinano quello che il componente farà dopo la produzione.
Il G-code non contiene quindi soltanto informazioni geometriche. Può diventare uno strumento per codificare localmente proprietà funzionali.
È un cambiamento che avvicina la produzione additiva al concetto di materiale programmabile: due filamenti realizzati con la stessa composizione chimica e apparentemente identici possono comportarsi in modo opposto semplicemente perché sono stati depositati in condizioni differenti.
L’integrazione futura con software di progettazione generativa, algoritmi di inverse design e stampa multimateriale potrebbe permettere di partire dal movimento desiderato e calcolare automaticamente traiettorie, velocità e parametri termici necessari per ottenerlo.
In questa prospettiva, la stampa 3D non costruisce soltanto la forma iniziale del componente. Costruisce anche una parte del suo comportamento.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
