I polimeri elettroattivi (EAP) rappresentano una categoria innovativa di polimeri conduttivi che modificano dimensione e forma in risposta a un campo elettrico. Questi materiali sono oggetto di ricerca per applicazioni avanzate in dispositivi intelligenti, tra cui robotica, attuatori morbidi, muscoli artificiali e sensori elettromeccanici.
Caratteristiche e vantaggi dei polimeri elettroattivi
Indice Articolo
I polimeri elettroattivi rientrano nella categoria dei materiali intelligenti, caratterizzati da leggerezza, flessibilità e un basso valore del modulo di Young. Grazie a queste proprietà, riescono a realizzare spostamenti meccanici elettro-assistiti, mostrando deformazioni strutturali quali rigonfiamenti, contrazioni e piegamenti in risposta agli stimoli elettrici applicati.
Nel contesto della biomimetica, i ricercatori hanno avviato studi per sfruttare i polimeri elettroattivi al fine di replicare i movimenti di animali, insetti e persino strutture del corpo umano. Questa ricerca ha radici storiche che risalgono al 1880, quando il fisico tedesco Wilhelm Röntgen scoprì un cambiamento nella lunghezza di una striscia di gomma naturale, osservando come essa si deformasse al passaggio di una scarica elettrica.
Classificazione e funzionamento degli EAP
I polimeri elettroattivi si distinguono in due categorie principali in base al loro meccanismo di attivazione: ionici (IEAP) ed elettronici. Gli EAP ionici, come i polimeri conduttivi e i compositi polimero-metallo, e quelli elettronici, che comprendono elastomeri dielettrici, polimeri elettrostrittivi, polimeri a cristalli liquidi e polimeri piezoelettrici sono attivati attraverso la applicazione di un potenziale elettrico.
È importante notare la differenza nel trasferimento di energia tra queste due classi. Mentre gli EAP elettronici utilizzano la corrente elettrica, quelli ionici si attivano mediante il movimento di ioni. Questi meccanismi di attivazione comportano vantaggi e svantaggi, come tensioni operative diverse e una forza di attuazione variabile. Gli EAP ionici, per esempio, attivano il loro meccanismo a tensioni basse, generalmente inferiori a 10 V, mentre gli EAP elettronici necessitano di una tensione significativamente più alta, intorno ai 150 MV/m.
Il funzionamento dei polimeri elettroattivi ionici avviene attraverso la migrazione di ioni o solventi, mentre per quelli elettronici l’attivazione è determinata dalle forze di Coulomb. I polimeri elettroattivi ionici subiscono rigonfiamenti o contrazioni quando gli ioni migrano attraverso le loro strutture; viceversa, gli EAP elettronici cambiano volume sotto l’azione di un campo elettrico applicato.
Dettagli sui polimeri elettroattivi ionici e i loro utilizzatori
I polimeri elettroattivi ionici attivano il loro meccanismo attraverso il trasferimento di energia degli ioni, i quali si muovono da un reticolo cristallino a un altro, generando un gradiente di pressione che provoca una deformazione meccanica. Attraverso elettrodi applicati sulle superfici della membrana polimerica, si riesce a creare la polarizzazione necessaria per il movimento degli ioni.
La suddivisione dei polimeri elettroattivi ionici può avvenire in base alla composizione del materiale della membrana. Questi polimeri possono includere polimeri conduttivi, gel polimerici ionici, fluidi elettrici e compositi ionici polimero-metallo (IPMC). Il loro utilizzo nei dispositivi IPMC presenta vantaggi come bassa tensione operativa, flessibilità, movimento bidirezionale e un tempo di risposta rapido. La deformazione degli IPMC si avvicina a quella dei muscoli biologici, superando anche alcune applicazioni di attuatori per muscoli artificiali.
Inoltre, i materiali come il Nafion, un fluoropolimero-copolimero, sono spesso impiegati come membrane ioniche e rivestiti con metalli nobili per garantire un funzionamento ottimale.
Polimeri elettroattivi elettronici
I polimeri elettroattivi elettronici operano attraverso l’energia fornita da una corrente elettrica. Questa corrente genera un campo elettrico all’interno della membrana polimerica, consentendo la compressione dell’elastomero e modificandone quindi le dimensioni. Questo processo meccanico si inverte con la cessazione dello stimolo elettrico, permettendo così applicazioni efficienti in diversi attuatori.
Tra i materiali comunemente utilizzati per la realizzazione di polimeri elettroattivi vi è il polivinilidenfluoruro (PVDF), noto per la sua capacità piezoelettrica, che trova impiego in applicazioni biomediche, e il polipirrolo, caratterizzato da elevata conduttività ma che presenta limiti in termini di proprietà meccaniche.
La polianilina, un altro polimero conduttivo, è largamente impiegata per la creazione di attuatori e dispositivi di elettronica morbida, grazie alla sua facile sintesi e al costo contenuto.
Ricorrere a polimeri come il PVC, apprezzato per la sua versatilità, oppure un polisaccaride naturale come la cellulosa, ha aperto nuovi orizzonti nella progettazione di dispositivi elettroattivi altamente performanti e biocompatibili.
