Grazie all’elettrofilatura e al polimero PVDF-TrFE, nasce una nuova tecnologia per creare fibre flessibili e autoalimentate, ideali per abbigliamento smart, monitoraggio della salute e raccolta energetica
Materiali intelligenti per wearables: la nuova frontiera dell’autoalimentazione.
È possibile che un giorno gli indumenti monitorino la salute in tempo reale, grazie a sensori autoalimentati integrati direttamente nel tessuto? Una nuova tecnologia basata sull’elettrofilatura, un processo che utilizza l’elettricità per creare fibre ultrasottili, rende questa prospettiva sempre più concreta.
Un team di ricerca guidato dalla Penn State University ha sviluppato un innovativo metodo di produzione che ottimizza la struttura interna delle fibre elettrofilate, migliorandone le prestazioni nelle applicazioni elettroniche. I risultati dello studio sono stati pubblicati sul Journal of Applied Physics (1).
Secondo il dottor Guanchun Rui (2), ricercatore postdoc presso il Dipartimento di Ingegneria Elettrica e l’Istituto di Ricerca sui Materiali, questa nuova tecnica potrebbe aprire la strada all'elettronica flessibile, efficiente e scalabile per sensori indossabili, monitoraggio della salute e raccolta sostenibile di energia.
Il materiale è basato sul polimero PVDF-TrFE (fluoruro di polivinilidene-trifluoroetilene), noto per essere leggero, flessibile e capace di generare cariche elettriche quando viene piegato o compresso. Questa proprietà, chiamata piezoelettricità, lo rende un candidato ideale per l’uso in elettronica che converte il movimento in energia o segnali elettrici.
«Il PVDF-TrFE possiede forti proprietà ferroelettriche, piezoelettriche e piroelettriche», spiega Guanchun Rui, aggiungendo che, come la piezoelettricità, anche la piroelettricità consente la generazione di cariche elettriche in risposta a variazioni di temperatura. «È termicamente stabile, leggero e flessibile, caratteristiche che lo rendono perfetto per applicazioni come dispositivi indossabili e sistemi di raccolta energetica».
L’elettrofilatura è una tecnica che utilizza la forza elettrica per estendere una soluzione polimerica in fibre estremamente sottili. Durante l’asciugatura, il modo in cui le catene polimeriche si organizzano influisce direttamente sulle prestazioni del materiale. I ricercatori hanno ipotizzato che modificare la concentrazione e il peso molecolare della soluzione potesse favorire strutture molecolari più ordinate.
«La cristallinità indica che le molecole sono disposte in modo più ordinato», ha spiegato Guanchun Rui, aggiungendo che il team ha teorizzato anche un contenuto più elevato di fase polare nella struttura. «Quando parliamo di fase polare, ci riferiamo all’allineamento delle cariche positive e negative all’interno delle molecole. Questo allineamento è ciò che consente al materiale di generare elettricità dal movimento».
I ricercatori hanno sottolineato che l’elettrofilatura è fondamentale per ottenere questo tipo di allineamento molecolare.
«Il processo stira le fibre in uno stato altamente mobile, predisponendo le catene polimeriche alla cristallizzazione nella forma desiderata», ha spiegato il dottor Patrick Mather (3), co-autore dello studio, professore di ingegneria chimica e preside della Schreyer Honors College. «Si parte da un liquido, che si asciuga in una frazione di secondo mentre viaggia verso il collettore. Tutto il compattamento molecolare avviene durante quel brevissimo volo».
«Una scoperta sorprendente», ha aggiunto Mather, «è emersa sperimentando concentrazioni insolitamente elevate di polimero nella soluzione».
«Abbiamo usato concentrazioni molto alte, intorno al 30%, ben superiori a quelle normalmente impiegate», ha detto Mather. «All’inizio pensavo che non avrebbe funzionato. Ma stavamo utilizzando un polimero a basso peso molecolare, e questo si è rivelato fondamentale. Le catene erano ancora abbastanza mobili da organizzarsi efficacemente durante la cristallizzazione. È stata la sorpresa più grande. A volte, anche quando la teoria è promettente, abbiamo dei dubbi. Ma Rui ha proceduto con coraggio, e ha funzionato».
Secondo Patrick Mather, le implicazioni sono rilevanti: migliorando la struttura interna delle fibre senza ricorrere a trattamenti ad alta tensione o a processi complessi di post-produzione, il team ha sviluppato un materiale scalabile e a basso costo.
Il dottor Guanchun Rui ha spiegato che la prima applicazione prevista per questo materiale era destinata alle mascherine protettive, grazie a un finanziamento del National Institutes of Health (NIH). Egli sostiene che «Quando viene elettrofilato in una mascherina, il materiale mantiene una carica elettrica capace di attrarre e intrappolare batteri e virus. Ma ha anche applicazioni più ampie nei sensori e nei sistemi di raccolta energetica. Se lo si preme, può generare elettricità».
Il dottor Qiming Zhang (4), professore di ingegneria elettrica e titolare della cattedra Harvey F. Brush presso il College of Engineering, nonché co-autore dello studio, ha sottolineato che la texture simile a un tessuto di questo materiale lo rende più confortevole rispetto ai sensori tradizionali in plastica — e può essere integrato direttamente negli indumenti.
«Se lo indossi come un capo d’abbigliamento, è molto meglio», ha dichiarato Zhang. «Si potrebbero persino incorporare sensori in cerotti o bende».
Patrick Mather ha aggiunto che l’elettrofilatura è ideale per produrre fogli di grandi dimensioni, un vantaggio importante per i sistemi di raccolta energetica. Attualmente, ha osservato, la maggior parte dei sensori e attuatori — materiali che si deformano o reagiscono a stimoli esterni — sono realizzati in film di piccole dimensioni.
«La maggior parte dei sensori e attuatori sono realizzati in film di piccole dimensioni», ha spiegato Mather. «Ma questo processo può essere scalato per produrre fogli su larga superficie. Le attrezzature esistono, basterebbe abbinarle a un sistema di produzione di elettrodi».
Guardando al futuro, i ricercatori vedono nuove opportunità di miglioramento del materiale attraverso processi di post-produzione. Attualmente, i fogli elettrofilati presentano una porosità di circa il 70%. Applicando calore e pressione, è possibile compattarli, aumentando sia la sensibilità che la resa energetica.
«Abbiamo già in mente i prossimi passi», ha dichiarato Mather. «Uno di questi è la densificazione. Possiamo rimuovere l’aria tra le fibre comprimendo i fogli dopo l’elettrofilatura, migliorando così le prestazioni in applicazioni specifiche».
Per una diffusione su scala industriale, il team ha sottolineato che sarà fondamentale il coinvolgimento di partner industriali.
«Abbiamo bisogno di trovare un partner industriale», ha detto Patrick Mather. «Qualcuno nel settore dei dispositivi elettronici o della raccolta di energia interessato a portare questa tecnologia al livello successivo. Per esperienza, se qualcosa funziona nelle fasi iniziali, può funzionare anche a livello commerciale. Se è troppo delicato, non regge. Questo, invece, è un sistema estremamente robusto».
Oltre a Guanchun Rui, Patrick Mather e Qiming Zhang, tra gli autori dello studio figurano anche Wenyi Zhu, assistente alla ricerca nel dipartimento di ingegneria elettrica della Penn State University, e Yongsheng Chen, Bo Li e Shihai Zhang di PolyK Technologies. La ricerca è stata sostenuta dal National Institutes of Health (NIH) e dalla National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti. Alla Penn State, i ricercatori lavorano per risolvere problemi concreti che influenzano la salute, la sicurezza e la qualità della vita delle persone in Pennsylvania, negli Stati Uniti e nel mondo. Da decenni, il finanziamento federale alla ricerca ha alimentato l’innovazione tecnologica, contribuendo a rendere il Paese più sicuro, le industrie più competitive e l’economia più solida. Tuttavia, i recenti tagli ai fondi pubblici minacciano seriamente questo progresso.
Riferimenti:
(2) Guanchun Rui
(3) Patrick Mather
(4) Qiming Zhang
Descrizione foto: Grazie a una tecnica chiamata elettrofilatura, i ricercatori della Penn State hanno sviluppato nuove soluzioni per sensori indossabili per la salute, integrabili direttamente nei tessuti intelligenti. Questi materiali in nanofibre sono in grado di generare elettricità dal movimento del corpo, alimentando i sensori in modo autonomo e continuo. - Credit: Jennifer M. McCann. All Rights Reserved.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Spinning up new flexible material for self-powered wearable sensors