Smart materials

Gli smart materials o materiali intelligenti sono una classe di materiali in cui una o più proprietà possono essere modificate semplicemente cambiando l’ambiente esterno. Tale modifica delle proprietà dei materiali consente di progettare e fabbricare materiali reattivi che hanno un impatto sul rapido sviluppo sia delle scienze dei materiali che della biomedicina.

Gli smart materials sono materiali funzionali che presentano proprietà di risposta agli stimoli esterni come temperatura, pressione, campo elettrico, campo magnetico. Un’ampia gamma di smart materials, tra cui leghe, compositi, gel e polimeri, è stata studiata per varie applicazioni dall’industria aerospaziale alle tecnologie mediche.

Le proprietà degli smart materials che vanno da materiali organici, principalmente nanoparticelle a base di polimeri, inorganici come metalli e ossidi metallici e ibridi sono principalmente associate alla loro capacità di adattarsi ai cambiamenti ambientali esterni, tra cui temperatura, pH, luce, umidità, composizione dei fluidi, al fine di attivare le loro funzioni.

La storia degli smart materials risale agli anni ’60, quando gli scienziati iniziarono a studiare materiali che cambiavano forma in risposta a stimoli esterni. Da allora, sono stati fatti molti progressi in questo campo, grazie in parte ai progressi nella nanotecnologia e nella ricerca sull’ingegneria dei materiali.

Da sempre l’uomo ha utilizzato i materiali e le civiltà erano divise in base alla scoperta dei materiali, come la prima era ovvero l’età della pietra. L’età più rivoluzionaria fu l’età del bronzo perché il bronzo era più resistente e più duro.

Negli ultimi due decenni, la scienza e la tecnologia hanno apportato grandi miglioramenti nella sintesi di nuovi materiali. Sono divisi principalmente in quattro categorie che sono polimeri, ceramiche, metalli e smart materials. Tra questi, gli smart materials stanno emergendo perché hanno varie applicazioni rispetto ai materiali standard.

Classificazione degli smart materials

Gli smart materials sono generalmente classificati in due categorie e possono essere definiti attivi o passivi. Gli smart materials attivi sono quelli che cambiano il loro comportamento in base alle condizioni in cui operano o tramite l’applicazione di un campo elettrico, termico, luminoso o magnetico e quindi acquisendo una capacità intrinseca di trasmettere energia.

Ad esempio, i materiali piezoelettrici convertono i segnali elettrici in forza meccanica per indurre una deformazione fisica tramite pressione meccanica o viceversa. Un altro esempio è costituito dalle leghe a memoria di forma e dai polimeri a memoria di forma che ricordano la loro forma originale, anche dopo essere stati notevolmente deformati, tornando alla loro forma originale in risposta a uno stimolo.

Il materiale che non ha la capacità intrinseca di trasmettere energia è considerato uno smart material passivo che può rilevare stimoli esterni ma non ha la capacità intrinseca di trasmettere energia. I materiali in fibra ottica sono buoni esempi di materiali intelligenti passivi e utilizzati principalmente per scopi di rilevamento.

Tipi di smart materials

Esistono diversi tipi di smart materials che possono essere distinti in base al tipo di stimoli a cui rispondono ovvero materiali:

termosensibili

che hanno la capacità di rispondere a un cambiamento di temperatura polimeri sono rari in quanto sono solubili in acqua a bassa temperatura e diventano insolubili quando la temperatura aumenta. A causa del loro cambiamento di proprietà fisiche innescato dallo stimolo della temperatura, i polimeri termosensibili sono materiali di interesse in un’ampia gamma di applicazioni come somministrazione di farmaci, rivestimento superficiale, pellicole e membrane, attuatori o trattamento delle acque.
fotosensibili

fotosensibili

che rappresentano un’enorme varietà di materiali di natura sia inorganica che organica, in grado di modificare le proprie proprietà strutturali (chimiche e/o fisiche) sotto l’esposizione alla luce. Hanno attirato notevole attenzione per le loro proprietà uniche e la varietà di applicazioni in vari campi e tecnologie.

Tra esse l’archiviazione ottica digitale, display, occhiali protettivi per gli occhi e lenti oftalmiche, finestre e sensori intelligenti, polimeri sensibili agli stimoli, inchiostri anticontraffazione, codici QR, impronte digitali fotocromatiche, rilevamento di ioni metallici, tessuti intelligenti con rilevamento UV e nanoparticelle fluorescenti fotocommutabili per imaging ad altissima risoluzione.

elettrosensibili

che mostrano cambiamenti di forma o volume in risposta a vari stimoli elettrici, capaci di trasformare un’energia elettrica in lavoro meccanico. I polimeri elettrosensibili  sono in grado di convertire gli impulsi elettrici in movimento meccanico, un principio che consente la produzione di sensori, attuatori e generatori capacitivi.

I materiali elettrosensibili che includono smart materials elettroattivi inorganici, metalli e polimeri elettroattivi organici sono utilizzati in campo medico in quanto forniscono un metodo diretto per varie forme di stimolazione elettrica per raggiungere le cellule e potrebbero migliorare la rigenerazione cardiaca, nervosa e ossea attraverso la direzione dell’adesione cellulare, della crescita, della migrazione, dell’apoptosi e della differenziazione

chimicamente sensibili alle variazioni di pH, temperatura e alle variazioni di concentrazione esibendo cambiamenti drastici nelle loro proprietà fisiche. Questi materiali possono essere applicati nell’elettronica flessibile, nella somministrazione di farmaci, nel rilevamento di inquinanti e nella bioimmagine.

Esempi di smart materials

Alcuni esempi di smart materials sono:

Polimeri a memoria di forma (SMP)

Sono in grado di modificare dimensioni, forma, rigidità e deformazione in risposta a diversi stimoli esterni come calore, campo elettrico e magnetico, acqua o luce, inclusi quelli fisiologici come pH, temperatura corporea e concentrazione di ioni.

I polimeri a memoria di forma sono una classe emergente di polimeri con applicazioni che abbracciano vari ambiti della vita quotidiana. Tali applicazioni possono essere trovate, ad esempio, in tessuti intelligenti tubi termoretraibili per elettronica o pellicole per imballaggio, vele solari auto-dispiegabili in veicoli spaziali, telefoni cellulari auto-smontabili, dispositivi medici intelligenti o impianti per chirurgia mininvasiva.

L’effetto memoria di forma non è una proprietà intrinseca, il che significa che i polimeri non mostrano questo effetto di per sé pertanto la memoria di forma deriva da una combinazione di morfologia del polimero e lavorazione specifica e può essere intesa come una funzionalizzazione del polimero.

Con la lavorazione convenzionale, ad esempio estrusione o stampaggio a iniezione, il polimero viene formato nella sua forma permanente. Successivamente, in un processo chiamato programmazione, il campione di polimero viene deformato e fissato in una forma temporanea. Dopo l’applicazione di uno stimolo esterno, il polimero recupera la sua forma iniziale permanente. Questo ciclo di programmazione e recupero può essere ripetuto più volte, con diverse forme temporanee nei cicli successivi.

Pigmenti termocromici

Cambiano colore rispondendo ai cambiamenti di temperatura. Sono progettati per cambiare colore o diventare trasparenti quando esposti al calore, per poi tornare al loro colore originale quando si raffreddano.

Sono costituiti da microcapsule o microsfere contenenti un colorante sensibile alla temperatura e progettati per subire un cambiamento di colore reversibile a un intervallo di temperatura specifico, noto come temperatura di attivazione o di transizione.

Al di sotto di questa temperatura, il pigmento mostra un colore e, man mano che la temperatura sale al di sopra della temperatura di attivazione, passa a un colore diverso o diventa trasparente. Una volta che la temperatura scende di nuovo al di sotto della temperatura di attivazione, il pigmento torna al suo colore originale.

Il cambiamento di colore dei pigmenti termocromici si basa sui principi del termocromismo, che comporta la riorganizzazione delle molecole all’interno della struttura del pigmento in risposta alle variazioni di temperatura. Questa riorganizzazione influisce sull’assorbimento e sulla riflessione della luce, determinando un cambiamento di colore evidente.

Sono comunemente usati in imballaggi sensibili alla temperatura, come etichette su lattine di bevande o biberon, per indicare se un prodotto è troppo caldo per essere toccato o consumato. Sono anche utilizzati in articoli di novità, giocattoli, abbigliamento e prodotti che cambiano l’umore, dove il cambio di colore aggiunge un elemento interattivo e dinamico.

Pigmenti fotocromici

Sono smart materials che cambiano colore in risposta alla luce UV e contengono molecole in grado di subire una reazione fotochimica reversibile quando esposti a questo tipo di radiazione. Quando il pigmento è al buio appare di un colore, ma quando esposto alla luce UV, il pigmento subisce un cambiamento chimico, che lo fa apparire come un colore diverso.

Il cambiamento di colore è in genere reversibile, il che significa che il pigmento torna al suo colore originale quando rimosso dalla fonte di luce UV. Nelle applicazioni automobilistiche e aerospaziali, i pigmenti fotocromatici possono essere utilizzati per creare finestre o display che si adattano automaticamente alle mutevoli condizioni di luce.

Idrogel

Sono in grado di rispondere agli stimoli e adattare le proprie risposte in base a segnali esterni provenienti dall’ambiente circostante. Gli idrogel sono smart materials che possono modificare la loro idrofilia, capacità di rigonfiamento, proprietà fisiche e permeabilità delle molecole, influenzate da stimoli esterni quali pH, temperatura, campi elettrici e magnetici, luce e concentrazione delle biomolecole.

In campo medico l’utilizzo di idrogel intelligenti nei sistemi di somministrazione di farmaci può ridurre la frequenza di dosaggio, mantenere la concentrazione terapeutica desiderata in una singola dose e ridurre al minimo gli effetti collaterali dei farmaci prevenendo l’accumulo dei farmaci nei tessuti non bersaglio.

Gli idrogel potrebbero incapsulare farmaci ed essere utilizzati in forme iniettabili per sostituire la chirurgia, per riparare la cartilagine danneggiata, nella medicina rigenerativa o nell’ingegneria tissutale. Inoltre, hanno potenziali applicazioni nella terapia genica.

Leghe a memoria di forma

Sono smart materials costituiti da miscele di metalli che tornano alla loro forma originale quando riscaldate, simili ai polimeri a memoria di forma. I tre tipi principali di leghe a memoria di forma sono le leghe rame-zinco-alluminio-nichel, rame-alluminio-nichel e nichel-titanio ma possono anche essere ottenute con zinco, rame, oro e ferro.

Furono segnalate per la prima volta dal chimico svedese Arne Ölander nel 1932 che osservò che una lega oro-cadmio può essere piegata quando è fredda, ma può tornare alla sua forma originale quando è riscaldata. In campo ingegneristico questi smart materials sono utilizzati in campo aerospaziale, automobilistica e biomedico. Le leghe a memoria di forma mostrano pseudoelasticità ed effetto memoria di forma dovuti a cambiamenti di fase austenite che prevale a temperature elevate, dimostrando una maggiore stabilità in tali condizioni termiche e martensite che si manifesta a temparature ridotte, consentendo elevate deformazioni recuperabili

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