Progettazione di materiali "BTS" avanzati per temperatura e lunga durata

Funzionalità del 20 febbraio 2023

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di Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Gli scienziati dei materiali sono spesso ispirati dalla natura e quindi utilizzano composti biologici come spunti per progettare materiali avanzati. È possibile imitare la struttura molecolare e i motivi funzionali nei materiali artificiali per offrire un modello per una varietà di funzioni. In un nuovo rapporto su Science Advances, Tae Hyun Kim e un gruppo di ricerca del California Institute of Technology e del Samsung Advanced Institute of Technology negli Stati Uniti e in Corea del Sud, hanno creato un polimero biomimetico flessibile sensibile al calore, abbreviato BTS, che hanno progettato per imitare la dinamica del trasporto ionico della pectina; un componente della parete cellulare della pianta.

I ricercatori hanno utilizzato una procedura sintetica versatile e hanno progettato le proprietà del polimero affinché fossero di natura elastica, flessibile ed estensibile. Il polimero flessibile ha sovraperformato i materiali di rilevamento della temperatura all'avanguardia come l'ossido di vanadio. Nonostante le deformazioni meccaniche, il materiale integrato nel sensore termico ha mostrato un'elevata sensibilità e un funzionamento stabile tra 15° e 55° Celsius. Le proprietà del polimero flessibile BTS lo hanno reso particolarmente adatto per mappare le variazioni di temperatura nello spazio-tempo e facilitare il fotorilevamento a infrarossi a banda larga rilevante per una varietà di applicazioni.

I materiali elettronici organici rappresentano alternative competitive alla microelettronica convenzionale basata sul silicio grazie alla loro natura multifunzionale ed economicamente vantaggiosa. Gli scienziati dei materiali cercano di adattare le proprietà di tali materiali a livello molecolare per una gamma di applicazioni di rilevamento per dispositivi indossabili e impiantabili con caratteristiche specifiche come flessibilità ed elasticità. Attualmente, esiste una crescente domanda di dispositivi elettronici completamente organici per formare una gamma di materiali morbidi e attivi. Ad esempio, i sensori termici organici sono adatti per l’assistenza sanitaria remota e la robotica, anche se con limitazioni.

I ricercatori hanno quindi cercato di sviluppare materiali organici con un'elevata risposta termica e flessibilità utilizzando un'impalcatura relativamente semplice attraverso recenti studi sulla pectina; un componente della parete cellulare vegetale costituito da un polisaccaride strutturalmente e funzionalmente complesso. Poiché i dispositivi sviluppati con la pectina come elemento di rilevamento sono strutturalmente instabili, Kim e colleghi hanno introdotto un nuovo polimero flessibile di rilevamento termico biomimetico (BTS), bioispirato dai motivi strutturali e funzionali della pectina. I ricercatori hanno utilizzato un metodo di polimerizzazione radicale vivente e versatile per progettare le strutture con stabilità meccanica e flessibilità intrinseche, adatte per materiali elettronici organici.

Gli scienziati hanno creato l'architettura del polimero riducendo la complessa struttura della pectina in una struttura più semplice con un complesso a forma di scatola delle uova e aggiungendo stabilità meccanica al polimero. Il team ha verificato i componenti strutturali del copolimero a blocchi utilizzando la cromatografia a permeazione di gel e misurazioni della risonanza magnetica nucleare. Il team ha aggiunto ioni calcio bivalenti nella soluzione polimerica flessibile BTS per rivelare una rete di legami incrociati ionici.

Hanno monitorato il processo con la spettroscopia infrarossa a riflettanza totale attenuata e trasformata di Fourier per comprendere il comportamento della formazione del film, dove i picchi caratteristici indicavano le strutture del polimero progettato. Hanno variato la concentrazione di ioni per studiare ulteriormente la funzionalità della pellicola.