Forza meccanica con la semplice pressione di un pulsante
Le superparticelle attivabili magneticamente trasformano il calore in lavoro e sono in grado di sollevare un peso pari a 25.000 volte il proprio peso
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Le nanoparticelle magnetiche possono essere riscaldate senza contatto. I ricercatori dell’Università Friedrich-Alexander di Erlangen-Norimberga (FAU), in collaborazione con i ricercatori dell’Università di Helsinki, stanno ora sfruttando questo effetto per generare forze meccaniche: le superparticelle di dimensioni micrometriche convertono il calore generato da un campo magnetico variabile in pressione del gas ed espansione volumetrica. Bastano già 20 milligrammi di questo materiale per sollevare una massa di 500 grammi.
Il calore si trasforma in lavoro meccanico
Le nanoparticelle magnetiche sono in grado di convertire in modo efficiente l’energia elettromagnetica in calore. Se esposte a un campo alternato ad alta frequenza, la loro temperatura aumenta notevolmente in pochissimo tempo. Questo principio di riscaldamento induttivo viene studiato per il trattamento termico senza contatto dei materiali.
Il team guidato da Karl Mandel della cattedra di Chimica dei materiali a base di particelle segue un approccio diverso: le nanoparticelle magnetiche vengono combinate con un secondo componente che reagisce al calore generato con un'espansione. Tramite essiccazione a spruzzo si ottengono così supraparticelle di dimensioni micrometriche, in cui la fonte di calore e il componente funzionale sono direttamente collegati tra loro.
Quando viene applicato un campo magnetico alternato, le nanoparticelle si riscaldano. Il calore generato localmente innesca quindi una rapida formazione di gas o evaporazione all’interno delle supraparticelle. La pressione che ne deriva provoca l’espansione e può svolgere lavoro meccanico.
Due meccanismi distinti
I ricercatori hanno sviluppato due sistemi a tale scopo.
Nel primo sistema viene utilizzata l’azodicarbonammide (ADCA). Il materiale funge da propellente chimico e, quando viene riscaldato, si decompone con rapido sviluppo di gas. Poiché il calore viene generato direttamente dalle nanoparticelle magnetiche adiacenti, in meno di un secondo può formarsi una grande quantità di gas. La pressione provoca la rottura della struttura delle superparticelle.
Il secondo sistema si basa su un polimero superassorbente a base di poli(acrilammide-co-acido acrilico). Questo polimero assorbe inizialmente l’acqua. Dopo una successiva essiccazione, una parte dell’acqua rimane saldamente legata alla struttura polimerica. Con il riscaldamento induttivo, essa evapora. Poiché inizialmente il vapore acqueo non riesce a fuoriuscire dal polimero abbastanza rapidamente, la pressione interna aumenta e il materiale si espande notevolmente.
I due sistemi mostrano quindi reazioni diverse allo stesso stimolo esterno: mentre il sistema ADCA rilascia soprattutto grandi quantità di gas in modo rapido, il sistema superassorbente porta a una significativa espansione macroscopica del volume.
20 milligrammi sollevano 500 grammi
I ricercatori hanno dimostrato l’entità delle forze che ne derivano con un semplice esperimento di sollevamento. 20 milligrammi di superparticelle sono stati in grado di sollevare una massa di 500 grammi – pari a 25.000 volte la massa del materiale utilizzato.
Attivazione a distanza
Un vantaggio fondamentale del sistema è l’attivazione senza contatto. Le superparticelle non necessitano né di un collegamento elettrico né di una fonte di calore diretta. È sufficiente un campo magnetico alternato esterno per innescare l’espansione.
In questo contesto, non è solo la temperatura raggiunta a svolgere un ruolo importante. È determinante anche la velocità con cui le nanoparticelle magnetiche generano calore. Solo se il calore si genera abbastanza rapidamente, all’interno delle supraparticelle può accumularsi una pressione sufficiente prima che il gas o il calore vadano persi nell’ambiente circostante. Un riscaldamento lento o uniforme, ad esempio in un forno, non porta invece alla stessa reazione.
I ricercatori hanno inoltre dimostrato che la temperatura massima può essere influenzata dalla scelta delle nanoparticelle magnetiche. Ad esempio, oltre alle nanoparticelle con la massima velocità di riscaldamento, è possibile utilizzare anche nanoparticelle di ferrite di zinco-cobalto, la cui temperatura di Curie più bassa limita la temperatura massima raggiungibile. Ciò consente di effettuare l’attivazione in modo più controllato ed evitare danni all’ambiente circostante.
La resina epossidica può essere frantumata in modo mirato
Il concetto è particolarmente interessante per i materiali che normalmente sono difficili da separare. I ricercatori hanno quindi integrato le supraparticelle in una matrice di resina epossidica.
Durante l’indurimento, le resine epossidiche formano strutture reticolate permanenti che non possono essere facilmente dissolte o deformate. Tuttavia, se le supraparticelle incorporate vengono esposte a un campo magnetico alternato, generano localmente pressione gassosa o espansione volumetrica. Le tensioni meccaniche che ne derivano sono in grado di rompere la resina epossidica. Negli esperimenti, il composito è stato distrutto in non più di dieci secondi.
In futuro, le supraparticelle attivabili magneticamente potrebbero quindi diventare interessanti, ad esempio, per il «debonding on demand», lo smontaggio di materiali compositi o il rilascio mirato di singoli componenti. Soprattutto per i materiali con strutture reticolate in modo permanente, una simile attivazione meccanica innescata localmente e senza contatto potrebbe aprire nuove possibilità.
Attuatori microscopici per materiali adattivi
Il lavoro illustra quindi un nuovo approccio per utilizzare le nanoparticelle magnetiche non solo come fonti di calore, ma anche come componenti di attuatori microscopici. Un campo magnetico esterno innesca una catena di processi: le nanoparticelle generano calore, che a sua volta attiva un’espansione chimica o fisica, e la pressione risultante viene convertita in lavoro meccanico.
La combinazione di attivazione senza contatto, reazione rapida ed elevata forza in rapporto alla massa del materiale potrebbe rivelarsi interessante in futuro per materiali adattivi, compositi commutabili e attuatori microscopici. I ricercatori vedono in particolare un potenziale per sistemi in cui le funzioni meccaniche devono essere attivate senza cavi e senza accesso diretto al materiale.
Lo studio «Inductively Expandable Supraparticles as Microscopic Force Generators for Remote Mechanical Actuation» di Leoni Luthardt, Stephan Müssig, Robert Luxenhofer e Karl Mandel è stato pubblicato sulla rivista specializzata Advanced Materials.
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