Un gruppo di ricerca interdisciplinare statunitense ha sviluppato una tecnica avanzata di stampa 3D per realizzare elastomeri a cristalli liquidi colesterici (CLCE, Cholesteric Liquid Crystal Elastomers), materiali capaci di modificare il proprio colore quando sottoposti a sollecitazioni meccaniche. Il metodo si basa su una forma evoluta di stampa diretta a inchiostro coassiale (Coaxial Direct Ink Writing, DIW), che consente di fabbricare strutture multilivello stabili dal punto di vista meccanico, con un controllo preciso della risposta ottica.
I risultati dello studio sono stati pubblicati sulla rivista Advanced Materials, una delle più accreditate nel settore della scienza dei materiali.
Cosa sono i CLCE: materiali morbidi con struttura molecolare ordinata
Gli elastomeri a cristalli liquidi colesterici appartengono a una categoria di materiali soffici ed elastici, caratterizzati da una struttura molecolare ordinata in grado di riflettere selettivamente la luce. Questa peculiarità li rende sensibili ai cambiamenti strutturali: quando vengono compressi o stirati, la disposizione interna delle molecole si modifica, alterando anche il modo in cui il materiale interagisce con la luce. Il risultato visibile è un cambiamento del colore superficiale.
Proprio questa proprietà li rende adatti per applicazioni nel campo della sensoristica meccanica, della robotica morbida e delle superfici adattive, dove può essere utile una risposta visiva immediata a una deformazione.
Combinazione tra materiali funzionali e supporto strutturale
Nel lavoro sperimentale, i ricercatori hanno utilizzato un elastomero colorimetricamente attivo come materiale interno, avvolgendolo in una guaina di silicone trasparente che funge da supporto durante la stampa coassiale. Questo approccio permette di mantenere la forma della struttura durante la deposizione, migliorando la stabilità meccanica complessiva senza compromettere le proprietà ottiche.
Controllo della stampa per ottenere strutture bistabili visivamente reattive
Uno degli aspetti chiave del processo è stato il controllo delle condizioni di taglio e flusso dell’inchiostro durante la stampa. Il team ha dovuto definire con precisione i parametri della tecnica DIW, come le velocità di estrusione e la viscosità dei materiali, per ottenere sia forme coerenti sia colori vividi.
L’obiettivo specifico era realizzare strutture a cupola bistabile – configurazioni in grado di cambiare forma sotto sforzo meccanico e poi tornare alla forma originaria – che potessero fornire un feedback visivo tangibile in base al tipo di sollecitazione applicata. In altre parole, la deformazione fisica del materiale si accompagna a un cambiamento cromatico, che può essere letto a occhio nudo o tramite sistemi ottici.
Verso nuove applicazioni nei metamateriali e nei dispositivi sensibili
Secondo Katherine Riley, ricercatrice del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), queste strutture bistabili non sono nuove nel panorama della meccanica avanzata. Sono già state impiegate, ad esempio, per sviluppare:
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pinze robotiche capaci di aprirsi e chiudersi senza motori o attuatori esterni,
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metamateriali che rilevano e registrano passivamente le sollecitazioni meccaniche,
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sistemi logici meccanici, in grado di elaborare informazioni senza l’uso di circuiti elettronici.
L’integrazione della risposta ottica nei metamateriali 2D e 3D potrebbe rappresentare un passo importante per creare sensori passivi o indicatori visivi che mostrano il livello di stress o deformazione subìto da una struttura attraverso una variazione di colore.
Prospettive di sviluppo: materiali che percepiscono e memorizzano sollecitazioni
Il gruppo di ricerca intende ora estendere l’approccio sviluppato per la stampa a nuove configurazioni geometriche e strutturali. L’obiettivo a lungo termine è quello di integrare materiali a base di CLCE direttamente in componenti funzionali, ad esempio all’interno di dispositivi intelligenti o superfici dinamiche.
Un aspetto di particolare interesse riguarda la possibilità di adattare e memorizzare la risposta meccanica dei materiali in funzione di sollecitazioni ripetute o variabili nel tempo. In altre parole, si sta esplorando la possibilità che queste strutture possano non solo reagire a un input meccanico, ma anche conservarne “memoria” strutturale o cromatica.
Il progetto è supportato da un programma strategico del LLNL finalizzato allo sviluppo di materiali detti “sentient materials”, ovvero materiali sensibili e adattabili, capaci di percepire l’ambiente, modificarsi e reagire in modo controllato.
