Manipolazioni selettive complesse della materia termomagnetica programmabile

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 20767 (2022) Citare questo articolo

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La materia programmabile può cambiare forma, rigidità o altre proprietà fisiche su comando. Lavori precedenti hanno mostrato materia controllata otticamente senza contatto o attuazione magnetica, ma la prima è limitata in termini di forza e la seconda in risoluzione spaziale. Qui mostriamo un livello di controllo senza precedenti che combina schemi di luce e campi magnetici. Una miscela di polvere termoplastica e ferromagnetica viene riscaldata in punti specifici che diventano malleabili e vengono attratti dai campi magnetici. Queste aree riscaldate si solidificano durante il raffreddamento e il processo può essere ripetuto. Mostriamo il controllo complesso di lastre 3D, fogli 2D e filamenti 1D con applicazioni in display tattili e manipolazione di oggetti. Grazie alla bassa temperatura di transizione e alla possibilità di utilizzare il riscaldamento a microonde, il composto può essere manipolato in aria, acqua o all'interno di tessuti biologici con il potenziale di rivoluzionare i dispositivi biomedici, la robotica o le tecnologie di visualizzazione.

La materia programmabile può cambiare forma, densità, moduli o altre proprietà fisiche in modo programmatico1. Questi cambiamenti sono controllati esternamente o innescati dal rilevamento e dall'elaborazione incorporati nel materiale2. I due approcci principali verso l’implementazione della materia programmabile sono: i robot modulari3, che forniscono più intelligenza; e l'attuazione esterna4, che produce una risoluzione spaziale e una scalabilità più elevate. La materia programmabile trova applicazioni rivoluzionarie nei campi dell’ingegneria e della medicina, ma la granularità che può essere raggiunta nelle sue manipolazioni è ancora significativamente limitata.

La luce è stata utilizzata come metodo di attuazione esterno. I materiali combinati con azobenceni5 vengono attivati ​​quando illuminati. Ad esempio, innescando il movimento quando un oggetto riflettente o opaco si avvicina al materiale6, o consentendo la locomozione su filamenti e cilindri quando illuminati con schemi di luce dinamici7. D'altro canto, il calore generato dalla luce può spostare piccoli oggetti sulla superficie dell'acqua a causa dei gradienti di temperatura8 o cambiare fase nelle leghe a memoria di forma9. L'attivazione con la luce o il suo effetto termico ha un'elevata risoluzione spaziale data la tecnologia esistente per proiettare immagini, tuttavia la forza di attuazione è relativamente debole e dopo l'attivazione, l'intero materiale ritorna al suo stato iniziale o mantiene uno stato non reversibile. Inoltre, la luce non può passare attraverso i materiali opachi.

I campi magnetici sono un altro modo per controllare la materia a distanza. Un filo flessibile di polimero contenente polvere magnetica può essere guidato a distanza per navigare in ambienti contorti10, fogli di materiali flessibili incastonati con particelle ferromagnetiche o magnetiche possono essere traslati e flessi in modo controllato per la locomozione11,12, un tappeto fatto di ciglia magnetiche può essere azionato per controllare gli oggetti che si trovano sopra13, e la melma magnetica può essere spostata magneticamente per intrappolare e trasportare altri oggetti14. L'attuazione magnetica è forte e può passare attraverso materiali non metallici, ma non è possibile avere un'elevata risoluzione spaziale poiché i campi magnetici non rimangono focalizzati a distanza. Per un migliore controllo, l'attrazione o la repulsione magnetica sul materiale può essere modulata riscaldandolo verso la sua temperatura di Curie, utilizzando la luce15 o l'induzione elettromagnetica16, tuttavia questi metodi vengono applicati su tutta la superficie non consentendo una manipolazione fine. Il metallo liquido può essere tradotto in goccioline17 da campi magnetici esterni e, quando sono combinati in un impasto magnetoreologico, può anche modificare la rigidità18, fungendo da connessione elettrica dinamica in circuiti riconfigurabili.

Qui, mostriamo livelli senza precedenti di controllo della manipolazione della materia utilizzando una combinazione di modelli spaziali termici e attuazione magnetica su un materiale composito costituito da una matrice di materiale termoplastico reversibile a bassa temperatura (policaprolattone, PCL) mescolato con polvere ferromagnetica (particelle di ferro), vedere " Metodi” “Miscelazione dei composti”.