Polimeri elettroattivi

I polimeri elettroattivi (EAP) sono un tipo di polimero conduttivo che cambiano dimensione o forma in risposta a un campo elettrico e oggetto di studi quali dispositivi intelligenti avanzati, vale a dire robotica, valvole, attuatori morbidi, muscoli artificiali e sensori elettromeccanici.

I polimeri elettroattivi appartengono agli smart materials che si presentano leggeri, flessibili e con un basso valore del modulo di Young in grado di eseguire uno spostamento meccanico elettro-assistito in diverse misure in base allo stimolo elettrico applicato con conseguente deformazione strutturale, come rigonfiamento, restringimento e piegatura.

I ricercatori nel campo della biomimetica, tecnologia in grado di utilizzare o imitare la natura per migliorare la vita umana. ritengono prevedibile che i polimeri elettroattivi possano essere applicati per imitare i movimenti di animali, insetti e persino parti del corpo umano.

La storia dei polimeri elettroattivi viene fatta risalire al fenomeno osservato nel 1880, quando il fisico tedesco Wilhelm Röntgen testò l’effetto di un campo elettrostatico sulle proprietà meccaniche di una striscia di gomma naturale e osservò una variazione di lunghezza quando subiva una scarica elettrica.

Classificazione dei polimeri elettroattivi

A seconda della loro modalità di meccanismo di attivazione, polimeri elettroattivi sono classificati in due categorie: ionici (IEAP) come i polimeri conduttivi e i compositi polimero-metallo ionici ed elettronici come, ad esempio, gli elastomeri dielettrici, i polimeri elettrostrittivi, i polimeri a cristalli liquidi e i polimeri piezoelettrici.

Sia i polimeri elettroattivi ionici che quelli elettronici vengono attivati ​​applicando potenziale elettrico, ma la differenza principale tra i due è nel processo di trasferimento di energia. Mentre gli EAP elettronici trasferiscono energia tramite corrente elettrica, quelli ionici trasferiscono energia tramite ioni. Poiché questi meccanismi di trasferimento di energia funzionano in modo diverso, ogni tipo presenta rispettivi vantaggi e svantaggi, come diversa tensione di funzionamento e forza di attuazione variabile.

L’attivazione elettrica dei polimeri elettroattivi ionici è dovuta alla migrazione di ioni o solventi mentre quelli elettronici sono attivati ​​da campi elettrici applicati e forze di Coulomb. Negli EAP ionici, che richiedono una bassa tensione, generalmente inferiore a 10  V, la migrazione porta a rigonfiamento o contrazione quando gli ioni entrano o escono dalle regioni di migrazione del polimero.

Negli ESP elettronici, che presentano il vantaggio di funzionare in condizioni ambiente per lunghi periodi di tempo, il volume cambia sotto l’applicazione di un campo elettrico e richiedono una tensione elevata di circa 150 MV/m.

Polimeri elettroattivi ionici

Il meccanismo di funzionamento del polimero elettroattivo  ionico avviene con il trasferimento di energia applicata dagli ioni che, spostandosi da un reticolo cristallino all’altro, generano un gradiente di pressione che porta a una deformazione meccanica.

Pertanto quando il polimero è attivato da un potenziale subisce una deformazione per flessione. Le tensioni di attivazione vengono applicate alla membrana polimerica mediante elettrodi formati sulle superfici della membrana polimerica.

La polarizzazione di un polimero dovuta alla tensione applicata determina lo spostamento dei cationi all’interno della membrana verso il catodo e lo spostamento degli elettroni verso l’anodo. In questa situazione, i cationi vengono generati dall’estremità della struttura della catena polimerica e sono liberi di muoversi all’interno della struttura, ma gli anioni rimangono fissi nella struttura della catena.

Pertanto i polimeri elettroattivi ionici possono essere suddivisi in diversi tipi in base alla composizione del materiale della membrana polimerica contenente gli ioni che può essere costituita da un polimero conduttivo, un gel polimerico ionico, fluidi elettrici e compositi ionici polimero-metallo (IPMC).

Compositi ionici polimero-metallo

Il funzionamento di qualsiasi polimero elettroattivo ionico richiede che gli elettrodi formino una polarità mediante una tensione applicata per indurre un movimento di ioni positivi all’interno di una membrana polimerica.

I dispositivi IPMC sono costruiti applicando tali elettrodi sulle superfici superiore e inferiore della membrana polimerica ionizzata e mantengono i vantaggi del polimero elettroattivo ionico, come il requisito di bassa tensione, la flessibilità, il movimento bidirezionale e il tempo di risposta di attuazione relativamente rapido.

La deformazione dell’IPMC è simile a quella dei muscoli biologici e migliore rispetto ad alcuni attuatori per muscoli artificiali, come leghe a memoria di forma, polimeri conduttivi e attuatori idrogel. I polimeri conduttivi o polimeri con nanoparticelle con conduttività sufficiente a sostituire gli elettrodi metallici sulle membrane polimeriche, sono stati studiati nell’ambito della ricerca sui compositi polimero-polimero ionico.

Questi polimeri elettroattivi sono costituiti da una membrana ionomerica perfluorurata solitamente Nafion,  fluoropolimero-copolimero costituito da tetrafluoroetilene solfonato, che fu scoperto alla fine degli anni sessanta del XX secolo da Walther Grot della DuPont e Flemion legata su entrambe le facce con un metallo nobile come oro o platino e neutralizzata con una certa quantità di controioni che bilanciano la carica elettrica degli anioni fissati covalentemente allo scheletro della membrana.

Polimeri elettroattivi elettronici

L’energia applicata al polimero elettroattivo elettronico viene trasferita da una corrente elettrica attraverso elettrodi che coprono una membrana polimerica su entrambi i lati quindi si forma un campo elettrico all’interno della membrana elastomerica isolante.

L’applicazione di un elevato stimolo elettrico genera una forza attrattiva tra due elettrodi, comprimendo la membrana polimerica nella direzione dello spessore, portando al collasso dell’elastomero che alla fine si traduce in uno spostamento meccanico. Questo effetto si inverte quando lo stimolo elettrico cessa.

Su questo principio sono basati gli attuatori che sono in grado di trasformare un segnale di input elettrico in movimento, come, ad esempio i motori elettrici, i pistoni idraulici, i relè, gli attuatori piezoelettrici oltre ai polimeri elettroattivi.

Tra i vantaggi forniti da tali tipi di polimeri vi è la possibilità di poter operare in condizioni di tensione continua e in assenza di solventi il che implica un funzionamento a lungo termine senza degradazione delle prestazioni.

Polimeri utilizzati per ottenere polimeri elettroattivi

Il polimero più utilizzato per l’ottenimento dei polimeri elettroattivi è il polivinilidenfluoruro (PVDF), l’omopolimero alternato dell’1,1-difluoroetene noto come fluoruro di vinilidene costituito da lunghe catene polimeriche tra atomi di fluoro e idrogeno. Di recente, sono stati sviluppati film piezoelettrici basati su PVDF per le applicazioni biomediche come sistemi di somministrazione di farmaci.

Il polipirrolo è un polimero elettroconduttivo esplorato nella progettazione di attuatori per diverse applicazioni, come muscoli artificiali e impalcature conduttive per l’ingegneria tissutale. Nonostante la sua elevata conduttività, il polipirrolo presenta alcuni inconvenienti, tra cui basse proprietà meccaniche, elevata idrofobicità e bassa solubilità, che sono fondamentali a seconda dell’applicazione prevista.

Tuttavia, questi svantaggi vengono spesso superati coniugando polipirrolo con polimeri più flessibili e/o idrofili come chitosano, glicole polietilenico (PEG)/poli(etilenossido) (PEO), gelatina.

La polianilina è un altro polimero elettroconduttivo impiegato principalmente nello sviluppo di polimeri elettroattivi ionici come elettrodi conduttivi grazie al suo basso prezzo, alla facilità di sintesi e all’elevata conduttività. I ​​materiali basati su PANI sono generalmente progettati per prevedere applicazioni come attuatori morbidi, dispositivi elettronici e muscoli artificiali.

Il PVC è un altro polimero classico utilizzato principalmente nello sviluppo di polimeri elettroattivi non ionici. Il suo basso costo, la facilità di lavorazione e la versatilità ne consentono la coniugazione con diversi composti e additivi, con conseguente produzione di un materiale finale con distinte proprietà elettriche e meccaniche.

La cellulosa, il polimero naturale più abbondante in natura, è stata recentemente impiegata per sviluppare attuatori con polimeri elettroattivi ionici  e sensori. Questo polisaccaride ha ricevuto notevole attenzione nella progettazione di dispositivi elettroattivi indossabili grazie alla sua biocompatibilità, basso costo, idrofilia, adesività e versatilità chimica che consente la coniugazione e funzionalizzazione con diversi composti e additivi per conferire diverse proprietà fisico-chimiche ed elettrochimiche.

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