Dall’Aerospazio alla HealthTech – Gli LCE sono tanto versatili quanto intriganti

Iniziamo affrontando prima il nocciolo! Cosa sono gli LCE? Bene, LCE sta per Elastomeri Liquid Crystalline – reti polimeriche reticolate che combinano le proprietà elastiche della gomma con le proprietà anisotropiche dei cristalli liquidi. Il fattore principale che ne guida l’unicità è che la multifunzionalità e la responsività possono essere programmate negli LCE mediante la definizione della loro orientazione locale.

È una qualità rara – difficile da ottenere in altri sistemi materiali monolitici. E, come sottolinea una recensione della rivista Nature del 2021, i progressi nella sintesi e nell’allineamento degli LCE hanno reso possibile integrarli funzionalmente in diversi settori, tra cui robotica, ottica, prodotti di consumo, energia e assistenza sanitaria. 

Oggi approfondiamo questa versatilità degli LCE per vedere come stanno dimostrando il loro valore in una serie di settori, dall’Aerospazio alla HealthTech. 

Approccio di stampa 3D per materiali a cambiamento di forma usando strutture LCE

Un team di ricercatori dell’Oregon State University ha contribuito a sviluppare un nuovo approccio di stampa 3D per materiali a cambiamento di forma. Nella vita reale, tali materiali a cambiamento di forma potrebbero migliorare le applicazioni robotiche aiutandole a acquisire una qualità robotica. 

Mentre spiegava le caratteristiche degli LCE in questo contesto, Devin Roach del College of Engineering dell’OSU ha detto:

“Gli LCE sono motori morbidi. Poiché sono morbidi, a differenza dei motori tradizionali, funzionano benissimo con i nostri corpi intrinsecamente morbidi. Quindi possono essere usati come dispositivi medici impiantabili, ad esempio per somministrare farmaci in posizioni mirate, come stent per procedure in aree target, o come impianti uretrali che aiutano con l’incontinenza.”

Più specificamente, la ricerca, pubblicata sulla rivista Advanced Materials, descrive la preparazione degli LCE mediante tecniche di manifattura additiva (AM), prevalentemente usando la stampa a getto di inchiostro diretto. I ricercatori hanno documentato la preparazione di LCE a catena principale allineati tramite stampa 3D DLP usando un campo magnetico di 100 mT.

Un esame sistematico ha isolato il contributo della forza del campo magnetico, del tempo di allineamento e dello spessore dello strato di costruzione sul grado di orientamento negli LCE stampati in 3D. I ricercatori hanno concluso che la stampa DLP di LCE allineati potrebbe aprire nuove opportunità per fabbricare materiali sensibili a stimoli in formati ottimizzati per l’uso funzionale nella robotica morbida e nell’assorbimento di energia.

Mentre tutto ciò potrebbe suonare come gergo tecnico e pieno di implicazioni ad alta tecnologia, comprendere gli LCE potrebbe essere molto più semplice se osservassimo le loro applicazioni nella vita reale. In sostanza, gli LCE possono cambiare forma in risposta a determinati stimoli, come il calore. Sfruttando questa proprietà, gli LCE possono essere usati per trasformare energia termica in energia meccanica in modo che possa essere immagazzinata e utilizzata su richiesta. 

La flessibilità simile a quella muscolare che gli LCE ci offrono può aiutarci a fare notevoli progressi nel campo della robotica morbida. Questi robot flessibili potrebbero accedere a zone pericolose o inadatte agli esseri umani. Secondo Devin Roach:

“Si è anche dimostrato che hanno potenziale nell’aerospazio come attuatori per sistemi automatizzati come quelli per il prelievo nello spazio profondo, il dispiegamento di radar o l’esplorazione extraterrestre.”

DLP, il risultato centrale di questa ricerca, che è stato realizzato da Roach e collaboratori dell’Università di Harvard, dell’Università del Colorado e dei laboratori nazionali Sandia e Lawrence Livermore, ci ha mostrato un modo per allineare le molecole usando un campo magnetico durante un tipo di stampa 3D chiamata digital light processing. È stato fondamentale sfruttare al massimo gli LCE perché le proprietà di cambiamento di forma degli elastomeri liquid crystalline dipendevano dall’allineamento delle molecole all’interno dei materiali. Il Digital Light Processing utilizza la luce per indurire la resina liquida in forme solide con precisione.

Mentre evidenziava i risultati dello studio, Roach ha affermato che l’allineamento delle molecole potrebbe essere la chiave per sbloccare il pieno potenziale degli LCE e consentire il loro utilizzo in ‘applicazioni avanzate e funzionali’. Roach ha inoltre sostenuto che il loro lavoro ha aperto ‘nuove possibilità per creare materiali avanzati che rispondono a stimoli in modi utili, potenzialmente portando a innovazioni in molteplici settori.’

Roach e i suoi collaboratori hanno studiato una serie di parametri. Hanno variato la forza del campo magnetico e analizzato come questa potesse influenzare l’allineamento molecolare insieme ad altri fattori, come lo spessore dello strato stampato. I ricercatori sono riusciti a stampare forme complesse di elastomeri liquid crystalline che cambiano in modi specifici quando riscaldate.

Roach ha anche guidato un altro team di ricercatori per approfondire il potenziale di smorzamento meccanico degli LCE. La ricerca e i suoi risultati potrebbero rivelarsi utili nello sviluppo di ammortizzatori automatici di prima classe, smorzatori sismici e smorzatori di vibrazioni per ponti. 

Mentre la ricerca e i suoi risultati potrebbero aiutare gli LCE a diventare strumentali in molti ambiti, la ricerca sulle strutture di Elastomeri Liquid Crystalline continua da tempo. Nei prossimi segmenti, discuteremo alcuni di questi studi e come potrebbero influenzare le innovazioni tecnologiche intorno a noi.

LCE e stampa 4D

Nel giugno 2022, un articolo di ricerca pubblicato sulla rivista Materials Horizons, gli scienziati hanno dimostrato che, mediante la strutturazione dell’ordine nei materiali, gli LCE mostrano un’azione reversibile ad alta velocità e su larga scala in risposta a stimoli esterni, consentendo una stretta integrazione con la stampa 4D e le architetture di dispositivi digitali, cosa che è raramente osservata nelle reti polimeriche morbide omogenee.

I ricercatori hanno raccolto informazioni sui recenti progressi nella stampa 4D di LCE, con enfasi sui metodi di sintesi e lavorazione che hanno permesso cambiamenti microscopici nell’orientamento molecolare e quindi hanno provocato cambiamenti macroscopici nelle proprietà degli oggetti finali. La ricerca ha inferito che la combinazione LCE‑4D printing potrebbe rivelarsi utile nei campi della robotica morbida, dell’ottica e dei dispositivi biomedicali.

Prestazioni degli LCE sulla risposta cellulare biologica

Un’altra ricerca, pubblicata sulla rivista ACS Applied Polymer Materials a gennaio 2023, ha esaminato le strutture e i metodi di sintesi degli LCE così come la loro biologia dei materiali con un’enfasi sulle caratteristiche biochimiche e biomeccaniche delle cellule da un punto di vista molecolare. La ricerca, in modo cruciale, ha investigato fattori quali il comportamento quasi‑liquid crystal delle cellule, il grado di ordine orientazionale in diverse cellule, e i segnali topografici indotti dai cristalli liquidi come agenti di crescita potenzianti per le cellule. 

Oltre a tali ricerche da parte di studiosi del settore, laboratori di ricerca rinomati in tutto il mondo hanno mostrato interesse per gli LCE e la loro evoluzione. Discuteremo un paio di questi laboratori nei segmenti seguenti e cercheremo di capire perché considerano gli LCE fondamentali. 

Valutazione degli LCE dal Nguyen Lab: Johns Hopkins Whiting School of Engineering

Il laboratorio ritiene che le proprietà viscoelastiche degli LCE possano essere sfruttate per progettare materiali e strutture trasformative con un comportamento di dissipazione estremo. Il laboratorio ha condotto uno studio per sviluppare una comprensione fondamentale dei meccanismi di rilassamento degli LCE a catena principale al fine di consentire la progettazione di comportamenti di dissipazione straordinari dei materiali e delle strutture LCE su più scale di lunghezza.

I ricercatori hanno ipotizzato che il migliorato comportamento di dissipazione degli LCE derivi dal accoppiamento della dinamica di rilassamento dei mesogeni e della rete polimerica e dipenda dall’ordine dei mesogeni e dall’allineamento della catena. Secondo il laboratorio, il comportamento intrinseco di dissipazione potrebbe essere sfruttato in un design architettato per produrre strutture con smorzamento estremo e assorbimento di energia. 

Lavoro del Laboratorio Aizenberg dell’Università di Harvard sugli LCE

La visione del laboratorio era di considerare gli LCE come materiali adattivi con programmabilità su scala molecolare che potessero generare opportunità per la progettazione razionale di materiali responsivi di nuova generazione e potenzialmente trasformare aree che vanno dai muscoli artificiali a superfici auto‑pulenti e sistemi omeostatici.

Il laboratorio ha trovato gli LCE materiali promettenti per raggiungere la programmabilità e le capacità di deformazione desiderate, poiché sono costituiti da molecole anisotrope note come mesogeni, legate covalentemente a un materiale di base polimerico (l’elastomero).

Mentre esistevano diverse metodologie per prescrivere l’allineamento dei mesogeni, il gruppo Aizenberg tipicamente impiegava campi magnetici per imporre il direttore del cristallo liquido. Questo metodo poteva essere applicato e programmato all’interno di qualsiasi forma 3D, consentendo ai ricercatori di codificare modalità di deformazione macroscopiche a livello molecolare. 

Il gruppo Aizenberg, attivo come laboratorio di biomineralizzazione e biomimetica sotto l’egida della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, ha utilizzato LCE allineati magneticamente per creare una varietà di microstrutture multi‑responsive come microposti, micropiastre, strutture cellulari interconnesse e array strettamente spaziati.

Il gruppo guarda al futuro per ampliare la comprensione fondamentale dei sistemi auto‑regolati, nonché per estendere questi design a applicazioni quali attuatori multimodali autonomi in adesivi commutabili, crittografia di informazioni, antenne autonome, sistemi di raccolta energia, robot morbidi e edifici intelligenti.

Mentre la ricerca individuale e quella di laboratorio sugli LCE è in pieno svolgimento, alcune aziende possono trarne beneficio. Ora esamineremo un paio di queste aziende.

Clicca qui per un elenco delle principali azioni di manifattura additiva e stampa 3D.

1. 3D Systems Corp (DDD )

L’azienda che si posiziona al vertice della lista quando pensiamo di sfruttare la ricerca sugli LCE su scala commerciale è 3D Systems Corp. Copre l’intero spettro dell’industria della stampa 3D, a partire da stampanti 3D, materiali e software. Possiede la gamma più completa di stampanti 3D commerciali, consentendo alle aziende di stampare parti in plastica o metallo al punto di bisogno in una frazione del tempo rispetto ai processi di produzione tradizionali.

L’ampio e versatile portafoglio di materiali di stampa 3D dell’azienda comprende plastica, elastomero, composito, cera, metallo, biocompatibile e altro. Inoltre, aggiunge valore all’intero sistema attraverso il suo software basato sull’IA, progettato per la precisione nella manifattura additiva e ideale per applicazioni industriali e sanitarie.

L’azienda serve la più ampia gamma possibile di clienti in settori quali aerospazio e difesa, automotive, biostampa, cattura del carbonio, tecnologia consumer e molti altri. 

L’azienda dispone di un’ampia gamma di prodotti nella categoria elastomeri, inclusa la DulaForm TPU Elastomer, un materiale elastomero termoplastico con flessibilità e funzionalità simili alla gomma. Può essere usato per produzioni da basso a medio lotto di beni di consumo, per la fabbricazione di parti flessibili per applicazioni industriali, per la creazione di prototipi funzionali di tubi e guarnizioni, e per il prototipaggio e la produzione di componenti di calzature. 

Il materiale VisiJet® CE-NT di 3D System Corp offre prestazioni elastomeriche di livello superiore per prototipi funzionali per soddisfare una gamma di applicazioni ingegneristiche e di design. Ha ottime proprietà di trazione, e il suo colore naturale traslucido aiuta a creare modelli realistici dell’anatomia umana per applicazioni di modellazione medica.

3D Systems Corporation ha annunciato i suoi risultati finanziari per il terzo trimestre chiuso il 30 settembre 2024, il 26 novembre 2024. Sebbene il suo fatturato di 112,9 milioni di dollari abbia registrato una diminuzione del 9% su base annua, l’interesse dei clienti per le applicazioni di stampa 3D ha continuato a guadagnare slancio, con i ricavi del Application Innovation Group (AIG) cresciuti di oltre il 26% anno‑ad‑anno nei mercati industriali.

2. Teradyne, Inc.(TER )

Teradyne, Inc. produce apparecchiature che testa semiconduttori, dispositivi wireless e altre elettroniche complesse. I loro strumenti sono usati in settori come automotive, aerospazio, difesa e elettronica di consumo. Sono un attore importante nel mondo dei test automatizzati e dell’automazione industriale.

Per il terzo trimestre del 2024, l’azienda ha riportato 737 milioni di dollari di fatturato. La maggior parte, 543 milioni di dollari, proveniva dal Semiconductor Test, con Robotics che ha aggiunto 89 milioni. Contributi minori sono arrivati da System Test e Wireless Test con 73 milioni e 33 milioni rispettivamente.

Gli Elastomeri Liquid Crystalline (LCE) potrebbero svolgere un ruolo importante nel plasmare il futuro di Teradyne, specialmente nella robotica. Gli LCE sono speciali perché possono cambiare forma quando esposti a calore o luce. Questo li rende ideali per la robotica morbida, che richiede flessibilità e precisione. Se Teradyne integrasse gli LCE nei loro robot, potrebbero renderli più adattabili per le industrie che richiedono automazione avanzata.

3. Zebra Technologies Corporation (ZBRA )

Zebra Technologies Corporation si distingue nell’intelligence degli asset aziendali, con i loro computer mobili, scanner di codici a barre, lettori RFID e stampanti specializzate, utilizzati in settori come retail, assistenza sanitaria, manifattura e logistica.

Nel terzo trimestre del 2024, Zebra ha riportato un fatturato di 1,26 miliardi di dollari, un aumento del 31% rispetto all’anno precedente. L’utile per azione rettificato è stato di 3,49 dollari, superando le aspettative e mostrando una forte crescita.

Gli Elastomeri Liquid Crystalline potrebbero rappresentare un’aggiunta interessante al portafoglio di Zebra, poiché questi materiali cambiano forma quando esposti a calore o luce, rendendoli ideali per l’uso nella robotica morbida o in altri sistemi adattivi. Se Zebra esplorasse questa tecnologia, potrebbe migliorare l’adattabilità delle proprie soluzioni — qualcosa di valore per le industrie che richiedono automazione flessibile. Gli LCE potrebbero consentire ai sistemi Zebra di operare in ambienti più complessi o di gestire compiti che i materiali tradizionali non possono.

Il futuro degli LCE

Gli LCE sono materiali unici in quanto combinano il comportamento anisotropico dei cristalli liquidi con l’elasticità della gomma dei polimeri leggermente reticolati. I tradizionali materiali a memoria di forma non sono efficaci come gli LCE nella costruzione di attuatori morbidi. Gli LCE possiedono proprietà meccaniche straordinarie, buona flessibilità, comportamento anisotropico e risposte di forma reversibili. 

Tuttavia, la ricerca sugli LCE deve affrontare molteplici lacune per realizzare il loro pieno potenziale. I ricercatori hanno scoperto che per i materiali morbidi, come gli LCE, esiste spesso una relazione di compromesso tra le caratteristiche di “alta tensione di attuazione” e “ampia deformazione di attuazione”, entrambe fattori chiave che determinano le prestazioni di attuazione. 

I ricercatori hanno anche identificato che poiché la maggior parte degli LCE è termotropica, è difficile realizzare risposte multi‑stimolo e controllo remoto, come gli attuatori a luce. La maggior parte della ricerca in corso si concentra sull’integrazione di vari nano‑riempitivi funzionali (nano‑materiali fototermici, elettrotermici, ecc.) nelle matrici LCE per affrontare questi problemi.

Tuttavia, vi è dubbio tra i ricercatori che la scarsa dispersione dei riempitivi funzionali nella matrice LCE e la debole interazione riempitivo‑matrice possano provocare separazione di fase nei compositi, riducendo le prestazioni degli attuatori risultanti. 

Mentre la nostra ricerca attuale è un passo positivo in quella direzione, permangono dubbi sulla comprensione di base della relazione tra disposizione molecolare e proprietà di azione degli LCE. I ricercatori vedono questa come una sfida per controllare accuratamente la deformazione o il movimento degli LCE.

Le nuove tecnologie di stampa 3D e 4D sviluppate per processare gli LCE in architetture sofisticate sono ancora orientate alla costruzione di attrezzature personalizzate senza una buona soluzione per la produzione di massa finora.

Tuttavia, dal lato positivo, l’interesse per gli LCE nel mondo della scienza e della tecnologia è evidente. C’è una crescente adozione degli LCE nella creazione di dispositivi intelligenti.

Con l’interesse crescente per nuovi tipi di materiali LCE, tecnologie avanzate di micro/nanofabbricazione 3D, nuovi schemi d’azione e strategie sofisticate di manipolazione, gli attuatori basati su LCE potrebbero raggiungere rapidi progressi e trovare presto applicazioni all’avanguardia.

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