Ionogel innovativi per la stampa 3D: alta conducibilità e resistenza meccanica senza compromessi

Secondo quanto reso noto dalla Southern University of Science and Technology (SUSTech) in Cina, il team di ricerca del professor Qi Ge del Dipartimento di Ingegneria Meccanica ed Energetica ha sviluppato uno ionogel fotoreticolabile con nanostrutture bicontinue, in grado di garantire un’elevata conducibilità senza sacrificare la stampabilità in 3D e le proprietà meccaniche.

I risultati della ricerca, dal titolo “Highly Conductive and Stretchable Nanostructured Ionogels for 3D Printing Capacitive Sensors with Superior Performance”, sono stati pubblicati su Nature Communications.

Il team SUSTech ha proposto una strategia basata sulla separazione microfasica indotta dalla fotopolimerizzazione per ottenere ionogel bicontinui. Questi materiali sono composti da nano-canali conduttivi intrecciati con una struttura polimerica reticolata. La nanostruttura bicontinua crea canali ordinati e continui per il trasporto ionico, conferendo agli ionogel un’elevata conducibilità senza compromettere la stampabilità e le proprietà meccaniche. Gli ionogel sviluppati presentano una conducibilità ionica elevata (superiore a 3 S·m⁻¹), una grande capacità di allungamento (oltre il 1500%), un basso grado di isteresi (0,4% con deformazione del 50%) e una stabilità termica su un ampio intervallo di temperature (-72 ~ 250 ℃).

Grazie alla bassa viscosità e all’elevata reattività alla luce, gli ionogel con nanostruttura bicontinua sono altamente adatti alla stampa 3D tramite tecnologia DLP, permettendo la realizzazione di geometrie complesse ad alta risoluzione. Inoltre, le strutture stampate in 3D con questo ionogel mostrano un’elevata deformabilità e conducibilità su un ampio intervallo di temperature. Come evidenziato nelle figure 2g e 2h, la struttura a traliccio octet stampata in 3D mantiene un’elevata deformabilità e conducibilità sia a 100 ℃ che a -30 ℃.

L’elevata stampabilità degli ionogel con nanostruttura bicontinua consente di realizzare geometrie intricate, utilizzabili per incrementare la capacità dei sensori capacitivi a doppio strato elettrico (EDL) modificando il processo di contatto tra lo strato di ionogel CSN e gli elettrodi metallici. I ricercatori hanno stampato una struttura emisferica con altezza variabile, migliorando significativamente la sensibilità e ampliando la linearità di risposta alla pressione.

I sensori capacitivi EDL stampati in 3D offrono prestazioni superiori, tra cui alta sensibilità, elevata linearità, risposta dinamica rapida, eccellente stabilità ciclica e un ampio intervallo di temperature operative. I sensori stampati sono stati integrati in una pinza robotica in grado di rilevare segnali di presa su un intervallo di temperature compreso tra -30 °C e 150 °C, registrando diverse combinazioni di segnali durante la manipolazione di vari oggetti. Inoltre, è stata realizzata una matrice di sensori di pressione composta da 4 × 4 elementi per una mappatura della pressione in tempo reale e ad alta risoluzione.

Il dottorando Xiangnan He, del Dipartimento di Ingegneria Meccanica ed Energetica della SUSTech, è il primo autore dell’articolo, mentre il professor Qi Ge è l’autore corrispondente.

Questo lavoro è stato supportato dalla National Natural Science Foundation of China (NSFC), dal Programma di Reclutamento dei Talenti Chiave della Provincia di Guangdong e dalla Science, Technology, and Innovation Commission del Comune di Shenzhen.