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Dal 1880 a oggi: qual è la sorprendente evoluzione dei polimeri elettroattivi?
I polimeri elettroattivi (EAP) sono polimeri che possono cambiare dimensione o forma in risposta alla stimolazione del campo elettrico. Le applicazioni più tipiche di questo tipo di materiale sono attuatori e sensori. Una proprietà degna di nota degli EAP è la loro capacità di sopportare grandi deformazioni pur essendo sottoposti a grandi forze. In passato, gli attuatori erano per lo più realizzati con materiali piezoelettrici ceramici che, pur essendo in grado di sopportare grandi forze, spesso si deformavano per meno di una parte su mille. Verso la fine degli anni '90, alcuni studi hanno dimostrato che alcuni EAP potevano raggiungere deformazioni pari al 380%, superando di gran lunga qualsiasi attuatore ceramico. Un'importante applicazione dell'EAP nella robotica è lo sviluppo di muscoli artificiali; i polimeri elettroattivi sono quindi spesso definiti muscoli artificiali.
Storicamente, lo studio dei polimeri elettroattivi ebbe inizio nel 1880, quando Wilhelm Roentgen progettò un esperimento per esaminare l'effetto dei campi elettrostatici sulle proprietà meccaniche della gomma naturale.
Si applica una carica elettrica dall'aria a un elastico con un'estremità fissa e si osserva la variazione della sua lunghezza. Nel 1925 fu scoperto il primo polimero piezoelettrico (dielettrico), e questa ricerca gettò le basi per il futuro dell'EAP. Il materiale viene realizzato mescolando cera di carnaba, resina e cera d'api e raffreddandolo tramite l'applicazione di una tensione continua. Nel corso del tempo, anche la risposta dei polimeri alle condizioni ambientali è diventata un obiettivo di ricerca di questo settore. Nel 1949, Kacharsky et al. dimostrarono che le fibre di collagene presentano variazioni di volume in soluzioni acide o alcaline, il che diede il via anche alla ricerca su altri stimoli.
Nel 1969, Kawai confermò che il fluoruro di polivinilidene (PVDF) aveva un forte effetto piezoelettrico, il che suscitò l'interesse dei ricercatori nello sviluppo di altri polimeri con effetti simili.
Nel 1977, il primo lotto di polimeri conduttivi fu scoperto da Hideki Shiokawa e altri. La conduttività del poliacetilene può essere aumentata di otto ordini di grandezza tramite drogaggio con vapore di iodio. Con l'invenzione dei compositi ionomero-metallo (IPMC) nei primi anni '90, lo sviluppo dell'EAP è entrato in una nuova fase. Questo materiale richiede solo uno o due volt di tensione per produrre una deformazione, una caratteristica che dimostra che l'EAP ha un potenziale applicativo maggiore.
Nel 1999, Yousef Bar-Kohan propose l'idea di far competere i bracci robotici EAP con gli esseri umani; la prima competizione si tenne in occasione di una conferenza nel 2005. Nel 2002, la giapponese Eamex ha prodotto il primo dispositivo muscolare artificiale EAP commerciale, un pesce in grado di nuotare in modo indipendente, che ha accelerato lo sviluppo dell'EAP in applicazioni pratiche. Tuttavia, l'effettivo progresso delle tecnologie correlate è ancora insoddisfacente. La ricerca finanziata dalla DARPA negli anni '90 ha portato alla fondazione di un'azienda produttrice di muscoli artificiali nel 2003 e alla produzione industriale nel 2008.
Tipi di polimeri elettroattivi
In base alla loro struttura, gli EAP possono essere semplicemente suddivisi in due categorie: dielettrici e ionici.
Dielettrico EAP
Negli EAP dielettrici, l'attivazione è causata dalle forze elettrostatiche tra gli elettrodi. Gli elastomeri dielettrici sono in grado di sopportare deformazioni molto elevate e si comportano come un condensatore, la cui capacità cambia quando viene applicata una tensione.
Polimeri piezoelettrici
Questa classe di polimeri sfrutta l'effetto piezoelettrico per creare sensori acustici e attuatori per motori e trova un'ampia gamma di applicazioni grazie alla sua intrinseca risposta piezoelettrica.
Polimero a cristalli liquidi
Il polimero a cristalli liquidi a catena principale ha una struttura a catena, che può mostrare proprietà meccaniche uniche sotto variazioni termiche e ha potenziali applicazioni di azionamento meccanico.
EAP ionico
Questo tipo di polimero è azionato dallo spostamento di ioni all'interno del polimero, che richiede solo pochi volt ma una potenza elettrica relativamente elevata.
Direzione di sviluppo futuro
Sebbene il settore EAP sia ancora in fase di sviluppo, restano ancora molte sfide da affrontare. Da un lato, migliorando le prestazioni e la stabilità a lungo termine dell'EAP e progettando una superficie impermeabile per impedire l'evaporazione dell'acqua, si migliorerà efficacemente la sua affidabilità in vari ambienti. D'altro canto, uno degli obiettivi futuri della ricerca è anche lo sviluppo di EAP termicamente stabili per migliorare la loro capacità di funzionare in modo continuativo a tensioni più elevate.
In questo contesto di continuo progresso, in futuro la tecnologia EAP avrà l'opportunità di essere integrata in sempre più ambiti applicativi, soprattutto nell'interfaccia tra uomo e macchina. Con il progresso della scienza e della tecnologia dei materiali, abbinato allo sviluppo della tecnologia biomimetica, non possiamo fare a meno di chiederci quali sorprendenti cambiamenti porteranno i polimeri elettroattivi in futuro?
