L’effetto camaleonte

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Il logo Empa stampato in 3D dalla nuova miscela HPC cambia colore quando viene r
Il logo Empa stampato in 3D dalla nuova miscela HPC cambia colore quando viene riscaldata. Immagine: Empa
Realizzare sensori e display biodegradabili con la stampa 3D - I ricercatori del laboratorio "Cellulose & Wood Materials" dell’Empa hanno sviluppato un materiale a base di cellulosa che fa proprio questo. La miscela di idrossipropilcellulosa, acqua, nanotubi di carbonio e nanofibre di cellulosa cambia colore in funzione della temperatura e dell’allungamento, senza l’aggiunta di pigmenti.

Un materiale elastico che cambia colore, conduce l’elettricità, può essere stampato in 3D ed è anche biodegradabile - non è solo un’illusione da parte degli scienziati: è proprio questa la soluzione miracolosa che i ricercatori dell’Empa del laboratorio "Cellulose & Wood Materials" di Dübendorf hanno prodotto utilizzando cellulosa e nanotubi di carbonio.

I ricercatori hanno utilizzato come materia prima l’idrossipropilcellulosa (HPC), utilizzata in particolare come eccipiente in prodotti farmaceutici, cosmetici e alimentari. Una delle caratteristiche speciali dell’HPC è che forma cristalli liquidi quando viene aggiunta acqua. Questi cristalli liquidi hanno una proprietà notevole: a seconda della loro struttura cristallina - che dipende, tra l’altro, dalla concentrazione di HPC - si illuminano in un’ampia gamma di colori, pur essendo di fatto incolori o privi di pigmenti. Questo fenomeno, noto come colorazione strutturale, è ben noto in natura: le piume dei pavoni, le ali delle farfalle e la pelle dei camaleonti non devono tutto o parte del loro aspetto multicolore ai coloranti, ma a strutture microscopiche che "dividono" la luce diurna incidente (bianca) nei suoi colori spettrali e riflettono solo determinate lunghezze d’onda, cioè determinati colori.

Il colore strutturale dell’HPC cambia non solo con la concentrazione, ma anche con la temperatura. Per sfruttare meglio questa proprietà, il team di Gustav Nyström ha aggiunto lo 0,1% di nanotubi di carbonio alla miscela di HPC e acqua. Questo rende il liquido elettricamente conduttivo e permette ai ricercatori di controllare la temperatura - e quindi il colore dei cristalli liquidi - applicando una tensione elettrica. Bonus: il carbonio agisce come assorbitore ad ampio spettro, rendendo i colori più intensi. Grazie a un altro additivo, una piccola quantità di nanofibre di cellulosa, il team di Gustav Nyström è riuscito a rendere la miscela stampabile in 3D senza compromettere la colorazione e la conduttività.

Utilizzando la stampa 3D, i ricercatori hanno prodotto una serie di applicazioni basate su questa nuova miscela di cellulosa. Tra queste, un sensore di stress che cambia colore in base alla deformazione meccanica e un semplice schermo composto da sette segmenti controllati elettricamente. "Nel nostro laboratorio abbiamo già sviluppato diversi componenti elettronici a base di cellulosa, come batterie e sensori", spiega Xavier Aeby, coautore dello studio. "Ora è la prima volta che siamo riusciti a sviluppare anche uno schermo a base di cellulosa".

In futuro, l’inchiostro a base di cellulosa potrebbe trovare un’ampia gamma di applicazioni molto diverse, ad esempio nei sensori di temperatura e deformazione, nel controllo della qualità degli alimenti o nella diagnostica biomedica. "I materiali durevoli che possono essere stampati in 3D sono di grande interesse, in particolare per le applicazioni nell’elettronica biodegradabile e per l’Internet delle cose", spiega il direttore del laboratorio Gustav Nyström. "Ci sono ancora molte domande aperte su come si forma effettivamente la colorazione strutturale e su come può essere modificata da diversi additivi o influenze ambientali". Questo è ciò che Gustav Nyström e il suo team vogliono continuare a esplorare nella speranza di scoprire altri fenomeni e applicazioni interessanti.