Un nuovo metodo consente la stampa 3D di strutture di idrogel sensibili alla luce
Ricerca innovativa sull’idrogel fotosensibile
Un gruppo di ricerca internazionale ha sviluppato un metodo per incorporare nanotubi d’oro in idrogel, permettendo la stampa 3D di strutture che si contraggono quando esposte alla luce e si espandono nuovamente quando la luce viene rimossa. Questa capacità di espansione e contrazione ripetuta rende le strutture stampate in 3D utilizzabili come attuatori telecomandati.
Composizione e stampa dell’idrogel
Gli idrogel, reti polimeriche che contengono acqua, sono utilizzati in vari prodotti quotidiani come lenti a contatto e pannolini. In questo studio, i ricercatori non hanno stampato direttamente un idrogel, ma una soluzione contenente nanobarre d’oro e gli ingredienti necessari per formare un idrogel.
“Sapevamo che era possibile stampare in 3D idrogel che si contraggono quando riscaldati,” afferma Joe Tracy, coautore dello studio e professore di scienza e ingegneria dei materiali presso la North Carolina State University. “Volevamo trovare un modo per incorporare nanobarre d’oro in idrogel per stampare in 3D strutture fotosensibili.”
Processo di stampa 3D
La soluzione pre-idrogel utilizzata per la stampa 3D ha una viscosità molto bassa, che impedisce la stampa su un substrato normale poiché colerebbe. Per ovviare a questo problema, la soluzione è stata stampata in una miscela trasparente di microparticelle di gelatina in acqua. L’ugello della stampante può penetrare in questa miscela, modellando la soluzione nella forma desiderata. La gelatina, essendo traslucida, permette alla luce di penetrare e convertire la soluzione in un idrogel solido. Successivamente, l’intera struttura viene immersa in acqua tiepida che scioglie la gelatina, rilasciando la struttura 3D di idrogel.
Julian Thiele, coautore dello studio e cattedra di chimica organica presso l’Università Otto von Guericke di Magdeburgo, spiega: “Quando la soluzione stampata viene irradiata con la luce, i polimeri nella soluzione formano una struttura molecolare in rete, trasformando la soluzione in un idrogel con nanotubi d’oro distribuiti uniformemente.”
Funzionamento delle strutture di idrogel
Quando esposte alla luce, i nanotubi d’oro incorporati nell’idrogel convertono la luce in calore, causando la contrazione dei polimeri e l’espulsione dell’acqua, che provoca il restringimento della struttura. Rimuovendo la luce, i polimeri si raffreddano e riassorbono acqua, facendo espandere l’idrogel alle dimensioni originali.
Melanie Ghelardini, autrice principale dello studio ed ex studentessa laureata presso la NC State University, afferma: “Abbiamo dimostrato che è possibile fare la stessa cosa con la luce invece del calore, e che è possibile stampare questo materiale in 3D. Ciò significa che le applicazioni che richiedevano calore diretto ora possono essere attivate da remoto con l’illuminazione.”
Vantaggi della stampa 3D
Julian Thiele aggiunge: “A differenza della fusione in stampo convenzionale, la stampa 3D di strutture di idrogel offre una libertà di progettazione quasi illimitata, consentendo la preprogrammazione di movimenti distinti durante la contrazione e l’espansione controllate dalla luce.”
Collaborazione e pubblicazione
I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Polymers, con la collaborazione di scienziati dell’Istituto Leibniz per la ricerca sui polimeri di Dresda e dell’Università tecnica di Dresda.
