Materiale composito costituito da grafene conduttivo e polimero ispirato alla madreperla

Ricercatori testano un materiale composito ispirato alla madreperla con stampa 3D
Il nuovo materiale è un composito costituito da grafene conduttivo e polimero

La madreperla potrebbe essere meglio conosciuta per il suo aspetto brillante ed etereo – molto apprezzato nel mondo dei gioielli – ma il materiale naturale è in realtà anche uno dei più duri sulla Terra. Se non lo conosci, la madreperla è l’interno incandescente delle conchiglie di molluschi, noto anche come madreperla. La resilienza del materiale ha reso particolarmente interessante un gruppo di ricerca presso la Viterbi School of Engineering dell’Università della California del Sud, che ha creato una replica stampata in 3D del materiale naturale.

La scoperta della ricerca, guidata da Yong Chen, professore presso il Dipartimento di ingegneria industriale e dei sistemi di Daniel J. Epstein e il Centro per la produzione avanzata, potrebbe portare a progressi nello sviluppo di nuovi materiali e dispositivi di sicurezza intelligenti, tra cui elmetti e armature per uso sia sportivo che militare. Un’altra area di interesse per il materiale stampato in 3D è nel campo biomedico, dove potrebbe essere utilizzato per dispositivi indossabili intelligenti.

Il materiale stampato in 3D, il cui sviluppo è stato dettagliato in un recente studio su Science Advances , si ispira alle microstrutture naturali della madreperla, che gli forniscono la sua forza. Inoltre, i ricercatori hanno fatto affidamento sui campi elettrici nel processo di fabbricazione dei materiali, il che significa che il prodotto finale ha una forte conduttività elettrica, ideale per dispositivi intelligenti.

“La madreperla è resistente perché raggruppa componenti in microscala e nanoscala in una struttura simile a un mattone e utilizza materiali morbidi per legarli insieme”, ha spiegato Chen, aggiungendo che il materiale ha una resistenza alla pressione superiore rispetto ad altri materiali rigidi come il vetro o la ceramica. “Anche il vetro molto resistente può essere facile da rompere quando lo lasci cadere. Le microcrack sulla superficie di questi materiali possono propagarsi rapidamente fino in fondo, mentre la madreperla combina materiali morbidi e duri in modo intelligente. “

Cioè, quando le microcricche si formano nella madreperla, il materiale morbido che lo lega insieme deflette l’impatto e in realtà impedisce alle crepe di diffondersi. Il materiale stampato in 3D ha imitato la microstruttura della madreperla e la composizione multi-materiale per ottenere un risultato simile.

Chen ha aggiunto: “La motivazione principale di questa ricerca è stata quella di vedere se potevamo stampare in 3D qualsiasi forma in microscala, usando l’architettura della madreperla che combina materiali duri e morbidi, per ottenere una struttura molto più dura.”

Il materiale stampato in 3D è costituito principalmente da polvere di grafene, che funge da elemento costitutivo del materiale. Per allineare le particelle di grafene, il team ha introdotto una carica elettrica di circa 1.000 volt. Il materiale può quindi essere polimerizzato e quindi applicato un altro strato.

“Inizialmente avevamo questo grafene distribuito casualmente”, ha detto Chen. “Quando lo aggiungi al campo elettrico, questi granuli casuali di grafene vengono allineati parallelamente. Quindi curiamo il materiale e finalizziamo lo strato. Quindi sovrapponiamo strato dopo strato in modo che sia simile nella microstruttura alla madreperla. ”

Le caratteristiche morbide del materiale sono state ottenute aggiungendo un polimero, trasformando efficacemente il materiale ispirato alla madreperla in un composito polimero-grafene. Come accennato, il processo di ricarica elettrica conferisce qualità conduttive al materiale: una caratteristica che lo distingue dalla sua controparte naturale.

La conduttività del materiale potrebbe essere utile nella produzione di dispositivi di protezione, come elmetti o armature, in quanto potrebbe rilevare e avvisare chi lo indossa se è compromesso o se presenta debolezze strutturali.

Per testare questa particolare applicazione, il team ha stampato in 3D un piccolo elmetto intelligente per un uomo lego con un sensore collegato a una luce a LED. Quando è stata esercitata una pressione sul casco, la luce a LED è stata attivata dal sensore, facendo sapere all’utente che era sotto stress. Puoi vedere gli adorabili risultati del test nelle foto sopra.

In futuro, il team di ricerca esplorerà ulteriormente le proprietà di conducibilità termica del materiale, nonché la sua resistenza meccanica e conducibilità elettrica.