Memoria di forma per nano-oggetti
Per la prima volta, i ricercatori dell'ETH di Zurigo hanno ottenuto un effetto di memoria di forma in oggetti sottili solo pochi nanometri. Questo può essere utilizzato per produrre macchine minuscole e piccoli robot su scala nanometrica.
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Le leghe che possono tornare alla loro struttura originale dopo una deformazione hanno la cosiddetta memoria di forma. Questo fenomeno e le forze che ne derivano sono utilizzati in molti sistemi di azionamento meccanico, ad esempio nei generatori o nelle pompe idrauliche. Tuttavia, non è ancora stato possibile utilizzare questo effetto di memoria di forma nella piccola scala nanometrica: In molte leghe con memoria di forma, gli oggetti tornano alla loro forma originale solo se sono più grandi di circa 50 nanometri.
I ricercatori guidati da Salvador Pané, professore di materiali robotici all'ETH di Zurigo, e Xiang-Zhong Chen, scienziato di questo gruppo, sono riusciti a superare questa limitazione con l'aiuto di materiali ceramici. In uno studio pubblicato sulla rivista pagina esternaComunicazioni sulla natura pubblicato sulla rivista D-MTEC, dimostrano l'effetto memoria di forma su uno strato sottile di circa venti nanometri di materiali noti come ossidi ferrosi. Questo risultato significa che l'effetto memoria di forma può ora essere applicato anche a minuscole macchine in scala nanometrica.
? necessaria una struttura speciale
A prima vista, gli ossidi ferrosi sembrano meno adatti per l'effetto memoria di forma: sono fragili su larga scala e, per produrne strati molto sottili, di solito devono essere applicati a un materiale portante, il che li rende poco flessibili. Per indurre l'effetto memoria di forma nonostante questo, i ricercatori hanno utilizzato due diversi ossidi, il titanato di bario e la pietra ferrosa di cobalto, di cui hanno applicato strati sottili a un materiale portante per un breve periodo e poi li hanno rimossi di nuovo. Le proprietà reticolari dei due ossidi differiscono notevolmente tra loro. Dopo che i ricercatori hanno staccato la striscia con i due strati sottili dal materiale di supporto, la tensione tra le due sostanze ha creato una struttura contorta a spirale.
Le strutture in nanoscala fatte di ossidi ferrosi prodotte in questo modo sono altamente elastiche, resilienti e consentono movimenti flessibili. Hanno anche dimostrato un effetto di memoria di forma: quando i ricercatori hanno applicato una forza meccanica di trazione alla struttura, questa si è espansa e deformata in modo permanente. Gli scienziati hanno poi diretto un fascio di elettroni da un microscopio elettronico a scansione sulla struttura deformata, che è tornata alla sua forma originale L'energia elettrica ha quindi innescato un effetto di memoria di forma. Lo spessore dello strato di circa venti nanometri è il campione di dimensioni più piccole su cui sia mai stato osservato un tale effetto.
Normalmente, in altri esempi, l'effetto memoria di forma è innescato da una manipolazione termica o magnetica. "Il fatto che funzioni negli ossidi ferrosi con l'irradiazione elettrica potrebbe avere a che fare con l'orientamento della polarizzazione all'interno degli ossidi", spiega Chen. Quando il filamento viene allungato, la polarizzazione all'interno degli ossidi si allinea parallelamente al piano del filamento. Il fascio di elettroni allinea la polarizzazione perpendicolarmente al piano del filamento, facendo tornare la struttura alla sua forma originale.
Un'ampia gamma di applicazioni
Questa reazione all'energia elettrica è più adatta a numerose applicazioni, perché le manipolazioni puntuali della temperatura (che altrimenti causano l'effetto memoria di forma) non sono possibili su scala nanometrica. Un esempio di applicazione: Grazie alla loro elevata elasticità, gli ossidi potrebbero sostituire le fibre muscolari o parti della colonna vertebrale. "Un'altra applicazione potrebbe essere quella di nuovi sistemi robotici su scala nanometrica: Il movimento meccanico che si verifica quando si passa da una forma strutturale all'altra potrebbe essere utilizzato per azionare piccoli motori", spiega Donghoon Kim. Ha lavorato a questo studio come dottorando ed è uno dei due primi autori. "Inoltre, il nostro approccio potrebbe anche consentire lo sviluppo di nanomacchine più durevoli, poiché il nostro materiale non è solo elastico ma anche resistente", spiega Minsoo Kim, postdoc e anch'egli primo autore.
L'area di applicazione potrebbe essere estesa anche all'elettronica flessibile e al campo della robotica morbida. In un ulteriore studio, che i ricercatori hanno appena pubblicato sulla rivista pagina esternaTecnologie dei materiali avanzati In uno studio pubblicato dall'Università di Friburgo, sono riusciti a sviluppare ulteriormente queste strutture di ossido libere in modo tale da poter controllare e regolare con precisione le loro cosiddette proprietà magnetoelettriche. Questi ossidi a memoria di forma potrebbero essere utilizzati, tra l'altro, per produrre nanorobot che possono essere impiantati nel corpo e stimolare le cellule o riparare i tessuti. I campi magnetici esterni potrebbero essere utilizzati per trasformare questi nanorobot in una struttura diversa e svolgere determinate funzioni nel corpo umano, ad esempio.
"Inoltre, le proprietà magnetoelettriche delle strutture di ossido a memoria di forma potrebbero essere utilizzate per stimolare elettricamente le cellule all'interno del corpo, ad esempio per attivare le cellule nervose nel cervello, per terapie cardiache o per accelerare la guarigione delle ossa", afferma Pané. Infine, gli ossidi magnetoelettrici a memoria di forma potrebbero essere utilizzati in dispositivi su scala nanometrica, come piccole antenne o sensori.
Letteratura di riferimento
Kim D, Kim M, Reidt S, Han H, Baghizadeh A, Zeng P, Choi H, Puigmartí-Luis J, Trassin M, Nelson BJ, Chen XZ, Pané S: Effetto memoria di forma nei nanocompositi ferroici ritorti. Nature Communications, 10 febbraio 2023. doi: pagina esterna10.1038/s41467-023-36274-w
Kim M, Kim D, Aktas B, Choi H, Puigmartí-Luis J, Nelson BJ, Pané S, Chen XZ: Nanocompositi ceramici magnetoelettrici flessibili sensibili alla deformazione. Advanced Materials Technologies, 28 febbraio 2023, doi: pagina esterna10.1002/admt.202202097