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25.03.20 - 06:000

Sensori per dispositivi indossabili più resistenti grazie al kirigami e al grafene

La tecnica del kirigami applicata al grafene permette ai dispositivi di conformarsi meglio ai movimenti del corpo

Oggi sempre più persone utilizzano dispositivi indossabili per praticare sport o per svolgere altre attività. Tali utenti, tuttavia, sono spesso costretti a sperimentare una delle più grandi debolezze di questi apparecchi, ovvero il fatto che i sensori resistono poco allo stress e alle tensioni causate dal movimento naturale del corpo umano, e perciò sono suscettibili a guasti e rotture. Sta quindi diventando sempre più urgente la necessità di sviluppare materiali che siano resistenti ai danni e all’usura a cui sono sottoposti questi oggetti.

A tale scopo, i ricercatori del Grainger College of Engineering dell’Università dell’Illinois hanno utilizzato il kirigami, una tecnica simile all’origami, l’arte più conosciuta della piegatura della carta, che però ne prevede il taglio oltre alla piegatura. Sfruttando la struttura dei kirigami, infatti, gli ingegneri sono riusciti a far diventare i materiali più resistenti alle sollecitazioni e più adattabili ai movimenti.

Nello specifico, il team di ricercatori guidati da SungWoo Nam, professore associato di Ingegneria Meccanica e Scienze, e Keong Yong, ha applicato con successo la tecnica del kirigami al grafene, un materiale ultrasottile, per creare sensori adatti ai dispositivi indossabili. «Utilizziamo tagli di kirigami per fornire estensibilità oltre la normale deformabilità di un materiale, in modo da ottenere i migliori risultati di rilevamento», ha osservato Nam.

Tali risultati sono stati ottenuti eseguendo alcune simulazioni in collaborazione con Narayana Aluru, professore di Ingegneria Meccanica e Scienze, il quale ha sviluppato un software online, primo del suo genere, che consente ai ricercatori di eseguire simulazioni prima di creare dispositivi reali. Una volta individuato il design più funzionale, si è passati alla realizzazione pratica del prototipo. Il grafene è stato valutato il materiale più idoneo perché è sottile e resiste a deformazioni e rotture più dei metalli e di altri materiali convenzionali.

Il team di ricerca è stato in grado di incapsulare lo strato di grafene tra due strati di poliimmide (lo stesso materiale utilizzato per proteggere gli smartphone pieghevoli) e, successivamente, hanno ingegnerizzato tagli di kirigami per migliorare l’elasticità del materiale. «Poiché il grafene è sensibile ai cambiamenti esterni, ma è anche un conduttore flessibile, è interessante usarlo per creare sensori», ha affermato Nam. «Questa sensibilità è adatta per rilevare ciò che ti circonda, come i livelli di glucosio o di ioni nel sudore».

Gli ingegneri hanno scoperto che l’impiego del kirigami ha reso il grafene non solo estensibile, ma anche sensibile alla tensione e privo di artefatti causati dal movimento, il che significa che anche se viene deformato, non vi è alcun cambiamento nel suo stato elettrico. In particolare, i ricercatori hanno scoperto che gli elettrodi di grafene presentano insensibilità fino al 240% della deformazione uniassiale o a 720 gradi di torsione. «La cosa interessante del kirigami è che quando lo allunghi crei un’inclinazione fuori dal piano», ha dichiarato Nam. «Ecco come la struttura può subire deformazioni così grandi».

I risultati completi di tale studio sono stati pubblicati su Materials Today. Nella sperimentazione i ricercatori hanno posizionato l’elemento di rilevamento attivo su un’isola tra due “ponti” realizzati con il grafene kirigami e, nonostante la flessione e l’inclinazione a cui è stato sottoposto, il grafene non ha perso alcun segnale elettrico. Inoltre, si è preso carico dall’allungamento e dalla tensione, consentendo all’elemento sensibile attivo di rimanere collegato alla superficie. Il kirigami, quindi, ha dimostrato la capacità unica di ridistribuire le concentrazioni di stress, ottenendo in tal modo attributi meccanici direzionali migliorati.

Ora il team di ricerca sta lavorando alla versione 2.0 e valutando la commercializzazione di questa innovativa tecnologia.

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