Un nuovo studio condotto dai ricercatori delle Università di Linköping e Lund in Svezia, ha sdoganato, una volta per tutte, l’elettronica come qualcosa di strettamente correlato ai metalli e a sostanze chimiche generalmente aggressive, dimostrando invece che è possibile creare elettrodi conduttivi in materiale plastico, utilizzando solo luce visibile e acqua, senza solventi pericolosi, ossidanti tossici o radiazioni ultraviolette. Una svolta che potrebbe cambiare profondamente il modo in cui pensiamo sensori, dispositivi medici ed elettronica indossabile.
“Io penso che questa sia una vera e propria svolta. È un altro modo di creare componenti elettronici più semplici e che non richiede attrezzature costose”, afferma Xenofon Strakosas, professore associato presso il Laboratory of Organic Electronics (LOE) dell’Università di Linköping.
Lo studio, pubblicato lo scorso 10 novembre sulla rivista Angewandte Chemie, introduce un metodo completamente nuovo per la polimerizzazione fotoindotta da luce visibile di materiali conduttivi, con un livello di compatibilità biologica e sostenibilità finora difficile da raggiungere.
Plastiche che Conducono e Parlano con il Corpo.
Al centro della ricerca ci sono i polimeri coniugati, materiali che combinano le proprietà elettroniche tipiche dei metalli e dei semiconduttori con la flessibilità meccanica delle plastiche. Quando, opportunamente funzionalizzati, questi polimeri diventano OMIEC (Organic Mixed Ionic–Electronic Conductors), cioè conduttori capaci di trasportare sia elettroni sia ioni.
Questa doppia conduzione è cruciale in ambito biologico e medico, perché i sistemi viventi comunicano prevalentemente attraverso segnali ionici. Non a caso, gli OMIEC sono già al centro di applicazioni come transistor elettrochimici organici (OECT), sensori biochimici, elettrodi neurali, dispositivi neuromorfici e attuatori.
Il problema, fino a oggi, è sempre stato come produrli.
La polimerizzazione tradizionale di questi materiali richiede processi in fase vapore, elettrochimica o enzimatica e l’utilizzo di ossidanti chimici, catalizzatori metallici, solventi organici. Metodi efficaci, ma difficili da scalare, poco sostenibili e spesso incompatibili con applicazioni dirette sui tessuti viventi.
La Polimerizzazione Guidata dalla Luce.
Il team di Linköping e Lund ha introdotto un approccio radicalmente diverso: una polimerizzazione completamente acquosa, attivata esclusivamente da luce visibile, senza iniziatori chimici.
Il segreto sta in monomeri idrosolubili appositamente progettati, in grado di auto-polimerizzare quando esposti alla luce. Il processo avviene direttamente sul substrato desiderato, che può essere rigido, flessibile o addirittura biologico.
“È possibile creare elettrodi su diverse superfici, come vetro, tessuti e persino la pelle”, spiega ancora Strakosas. “Questo apre una gamma di applicazioni molto più ampia”.
In pratica, una soluzione acquosa contenente i monomeri viene depositata sulla superficie. Un laser o una sorgente di luce visibile definisce con precisione il pattern degli elettrodi. La parte non polimerizzata viene poi semplicemente risciacquata via, lasciando il circuito perfettamente formato, senza passaggi chimici aggiuntivi.
Materiali Delicati per Prestazioni Sorprendenti.
Uno degli aspetti più sorprendenti del lavoro è che questa “chimica gentile” non compromette le prestazioni…al contrario.
“Le proprietà elettriche del materiale sono di primaria importanza. Poiché il materiale può trasportare sia elettroni che ioni, può comunicare con il corpo in modo naturale e la sua chimica delicata garantisce che i tessuti lo tollerino, una combinazione cruciale per le applicazioni mediche”, afferma Tobias Abrahamsson, ricercatore presso il LOE e autore principale dello studio.
L’analisi dettagliata mostra che gli OMIEC ottenuti presentano proprietà elettriche ed elettrochimiche all’avanguardia, con elevata stabilità, ottima conformabilità alle superfici e prestazioni comparabili (se non superiori) a quelle dei polimeri prodotti con metodi convenzionali.
In breve, dal punto di vista meccanicistico, la polimerizzazione è guidata da percorsi foto-ossidativi di tipo I e II (il tipo I genera radicali liberi tramite trasferimento di elettroni, mentre il tipo II genera ossigeno singoletto -una forma altamente reattiva dell’ossigeno molecolare- tramite trasferimento di energia), fortemente dipendenti dal potenziale di ossidazione dei monomeri. Il controllo di ogni fase del processo, insieme all’uso di antiossidanti e a un attento drogaggio acido post-polimerizzazione, consente di ottimizzare ulteriormente qualità del film e conducibilità.
Elettrodi Stampati sulla Pelle.
La dimostrazione forse più impressionante arriva dagli esperimenti in vivo. I ricercatori hanno utilizzato la tecnica per creare elettrodi direttamente sulla pelle di topi anestetizzati, senza alcun supporto intermedio.
Il risultato è stato un miglioramento significativo della registrazione dell’attività cerebrale a bassa frequenza rispetto ai tradizionali elettrodi metallici utilizzati negli elettroencefalogramma (EEG).
“Poiché il metodo funziona su molte superfici diverse, si possono immaginare sensori integrati anche negli indumenti”, osserva Abrahamsson. “Inoltre, il metodo potrebbe essere utilizzato per la produzione su larga scala di circuiti elettronici organici, senza solventi pericolosi”.
Non si tratta solo di comodità o sostenibilità: la migliore adesione alla pelle, la compatibilità meccanica e la capacità di trasporto ionico migliorano sensibilmente il rapporto segnale/rumore e la qualità complessiva delle misure.
La Rivoluzione della Bioelettronica.
Dal punto di vista accademico, questa ricerca risolve uno dei problemi storici della fotopolimerizzazione dei polimeri coniugati. I metodi precedenti, spesso basati su luce UV, degradavano le strutture molecolari e richiedevano fasi di purificazione complesse, rendendo le prestazioni “reali” molto diverse da quelle misurate in laboratorio.
Qui, invece, la polimerizzazione avviene direttamente nel contesto d’uso, senza passaggi artificiali che alterino il materiale e le prestazioni elettriche ed elettrochimiche misurate corrispondono a quelle effettivamente disponibili nel dispositivo finale.
Il risultato è una piattaforma tecnologica che potrebbe influenzare profondamente settori come:
– bioelettronica e neurotecnologie;
– sensori indossabili e tessili intelligenti;
– elettronica organica sostenibile;
– dispositivi medici minimamente invasivi.
Quando la Luce Diventa Strumento di Fabbricazione.
Nella loro pubblicazione, i ricercatori affermano: “…presentiamo un metodo completamente acquoso, guidato dalla luce visibile, per la fabbricazione di conduttori misti ionici-elettronici ad alte prestazioni attraverso la fotopolimerizzazione autoindotta…”, capace di operare su vetro, tessuti e tessuti viventi, con proprietà elettriche avanzate e piena biocompatibilità.
Non si tratta, limitatamente, di una nuova tecnica di laboratorio, ma di un reale cambio di prospettiva: l’elettronica che nasce dalla luce, senza chimica aggressiva, senza processi industriali complessi, pronta a integrarsi con il corpo umano.
Forse è proprio qui la vera rivoluzione: non solo nei materiali, ma soprattutto nell’idea che l’elettronica del futuro possa essere, “semplicemente”, scritta con la luce, direttamente sulla materia viva, senza ferirla.
Tecnologia e biologia che iniziano a “parlarsi nello stesso linguaggio”…e se si trattasse dell’inizio di qualcosa di molto più grande?
by O. D. B.
Fonti:
