La natura e la plastica ispirano una svolta nei materiali morbidi e sostenibili

Utilizzando peptidi e un frammento di macromolecole nella plastica, gli scienziati dei materiali della Northwestern University hanno sviluppato materiali costituiti da strisce piccole, flessibili e di dimensioni nanometriche che possono essere caricate proprio come una batteria per immagazzinare energia o registrare informazioni digitali. Questi sistemi sono altamente efficienti dal punto di vista energetico, biocompatibili e realizzati con materiali sostenibili e potrebbero dare origine a nuovi tipi di dispositivi elettronici leggeri riducendo al contempo l’impatto ambientale della produzione e dell’eliminazione dell’elettronica.

Lo studio sarà pubblicato mercoledì (9 ottobre) sulla rivista natura.

Con un ulteriore sviluppo, i nuovi materiali morbidi potrebbero essere utilizzati in chip di memoria microscopici, sensori e moduli di accumulo di energia a basso consumo ed efficienti dal punto di vista energetico. I ricercatori potrebbero anche incorporarli nelle fibre tessute per creare tessuti intelligenti o impianti medici simili ad adesivi. Negli odierni dispositivi indossabili, i dispositivi elettronici sono fissati saldamente al corpo tramite un braccialetto. Ma con il nuovo materiale, il cinturino da polso si Può avere attività elettronica.

“Si tratta di un concetto completamente nuovo nella scienza dei materiali e nella ricerca sui materiali morbidi”, ha affermato Samuel Staub, della Northwestern University, che ha guidato lo studio. “Immaginiamo un futuro in cui si possa indossare una maglietta con un condizionatore d’aria incorporato o fare affidamento su impianti bioattivi morbidi, simili a tessuti, che vengono attivati ​​in modalità wireless per migliorare la funzione cardiaca o cerebrale.

“Questi usi richiedono segnali elettrici e biologici, ma non possiamo costruire quelle applicazioni utilizzando materiali elettricamente attivi classici. Non è pratico inserire materiali duri nei nostri organi o in magliette che le persone possano indossare il mondo dei materiali morbidi ed è esattamente ciò che abbiamo fatto in questo studio.”

Staub è professore del Consiglio di fondazione di Scienza e ingegneria dei materiali, Chimica, Medicina e Ingegneria biomedica presso la Northwestern University. Negli ultimi dieci anni è stato anche direttore del Center for Bio-Inspired Energy Sciences, sostenuto dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dove è iniziata questa ricerca. Stupp ha incarichi presso la McCormick School of Engineering, il Weinberg College of Arts and Sciences e la Feinberg School of Medicine della Northwestern University. Yang Yang, un ricercatore associato nel laboratorio di Staub, è il primo autore di questo articolo.

I peptidi si combinano con la plastica per una vera innovazione

Il segreto dietro il nuovo materiale sono i peptidi anfifili, una piattaforma versatile di molecole precedentemente sviluppata nel laboratorio Staub. Queste strutture autoassemblate formano fili nell’acqua e hanno già mostrato risultati promettenti nella medicina rigenerativa. Le molecole contengono peptidi e una porzione lipidica, che guida l’autoassemblaggio molecolare quando vengono poste in acqua.

Nel nuovo studio, il team ha sostituito la coda grassa con un piccolo frammento molecolare di una plastica chiamata fluoruro di polivinilidene (PVDF). Ma hanno mantenuto la parte peptidica contenente sequenze di aminoacidi. Comunemente utilizzato nelle tecnologie audio e sonar, il PVDF è un materiale plastico con proprietà elettriche insolite. Può generare segnali elettrici quando viene premuto o compresso, una proprietà nota come piezoelettricità. È anche un materiale ferroelettrico, il che significa che ha una struttura polare che può cambiare direzione di 180 gradi utilizzando una tensione esterna. I materiali fotovoltaici dominanti in questa tecnologia sono materiali solidi, che spesso includono metalli rari o tossici, come piombo e niobio.

“Il PVDF è stato scoperto alla fine degli anni ’60 ed è la prima plastica conosciuta ad avere proprietà ferroelettriche”, ha affermato Staub. “Ha tutta la durabilità della plastica pur essendo utile per i dispositivi elettrici, questo lo rende un materiale molto prezioso per le tecnologie avanzate. Tuttavia, nella sua forma pura, il suo carattere ferroelettrico è instabile e se viene riscaldato al di sopra del cosiddetto Curie temperatura, perde la sua polarità.” “Irreversibilmente”.

Tutte le plastiche, incluso il PVDF, contengono polimeri, che sono molecole giganti tipicamente costituite da migliaia di unità strutturali chimiche. Nel nuovo studio, il laboratorio di Stupp ha fabbricato con precisione polimeri miniaturizzati utilizzando solo da 3 a 7 unità di fluoruro di vinilidene. È interessante notare che le microclip da 4, 5 o 6 unità sono programmate da strutture naturali di foglietti beta, presenti nelle proteine, per organizzarsi in una fase ferroelettrica stabile.

“Non è stato un compito banale”, ha detto Staub. “La combinazione di due partner inaspettati – peptidi e materie plastiche – ha portato a una svolta sotto molti aspetti”.

Non solo i nuovi materiali erano ugualmente ferroelettrici e piezoelettrici come il PVDF, ma le forme elettroattive erano stabili, con la capacità di cambiare polarità utilizzando tensioni esterne molto basse. Ciò apre la porta all’elettronica a basso consumo e ai nanodispositivi sostenibili. Gli scienziati prevedono inoltre di sviluppare nuove tecnologie biomediche collegando segnali bioattivi a frammenti peptidici, una strategia già utilizzata nella ricerca sulla medicina rigenerativa di Staub. Ciò fornisce una combinazione unica di materiali elettroattivi che sono anche biologicamente attivi.

Basta aggiungere acqua

Per creare strutture sostenibili, il team di Stupp ha semplicemente aggiunto acqua per avviare il processo di autoassemblaggio. Dopo aver infuso il materiale, Staub è rimasto stupito nello scoprire che raggiungeva le proprietà fotovoltaiche altamente desiderabili del PVDF.

In presenza di un campo elettrico esterno, i materiali ferroelettrici invertono il loro orientamento polare, in modo simile al modo in cui un magnete può spostarsi da nord a sud e viceversa. Questa proprietà è una componente essenziale dei dispositivi che memorizzano informazioni ed è una caratteristica importante delle tecnologie di intelligenza artificiale. Sorprendentemente, i ricercatori hanno scoperto che le “mutazioni” nella sequenza peptidica possono mettere a punto le proprietà ferroelettriche o addirittura trasformare le strutture in materiali ideali per la funzionalizzazione o l’immagazzinamento di energia noti come “fasi di rilassamento”.

“Le mutazioni della sequenza peptidica in biologia sono la fonte di malattie o vantaggi biologici”, ha detto Staub. “Nei nuovi materiali, trasformiamo i peptidi per ottimizzare le loro proprietà per il mondo fisico.

“Utilizzando nanoelettrodi, possiamo esporre un numero astronomico di strutture autoassemblate a campi elettrici. Possiamo invertire la loro polarità con una bassa tensione, in modo che una direzione sia un “uno” e la direzione opposta sia uno “zero”. Ciò forma un codice binario per memorizzare informazioni, aumentandone la versatilità. In netto contrasto con i comuni materiali ferroelettrici, i nuovi materiali sono “poliassiali”, nel senso che possono generare polarità in più direzioni attorno a un cerchio anziché in una o due direzioni specifiche.

Basso consumo da record

Per invertire la loro polarità, anche i materiali ferroelettrici morbidi come il PVDF o altri polimeri richiedono tipicamente un ampio campo elettrico esterno. Tuttavia, le nuove strutture richiedono tensioni incredibilmente basse.

“L’energia richiesta per capovolgere gli elettrodi è la più bassa mai vista per un ferroelettrico liscio e multiassiale”, ha affermato Staub. “Potete immaginare quanta energia questo farà risparmiare in tempi sempre più affamati di energia”.

I nuovi materiali hanno anche vantaggi ambientali innati. A differenza della plastica tradizionale, che rimane nell’ambiente per secoli, i materiali da laboratorio di Stupp possono essere biodegradati o riutilizzati senza l’uso di solventi nocivi o tossici o processi ad alta energia.

“Stiamo ora esaminando l’uso delle nuove strutture in applicazioni non tradizionali della ferroelettricità, che includono dispositivi e impianti biomedici, nonché importanti processi catalitici nelle energie rinnovabili”, ha affermato Staub. “Poiché i peptidi vengono utilizzati in nuovi materiali, sono utilizzabili con segnali biologici. Siamo molto entusiasti di queste nuove direzioni.”