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Il materiale ispirato alla pelle di calamaro è un punto di svolta

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Alon Gorodetsky mostra il materiale composito adattivo per la gestione del calore sviluppato dal suo laboratorio che è soprannominato per la sua ispirazione: pelle di calamaro. Credito: Steve Zylius/UCI

All’interno di un laboratorio nell’edificio Calit2, Aleksandra Strzelecka apre un cassetto, tira fuori un piccolo lenzuolo quadrato e lo porge a un visitatore. Il materiale brunastro e gommoso si estende per più del doppio della sua dimensione originale.

“È molto leggero”, osserva Panyiming Liu, il collega studente laureato in ingegneria chimica di Strzelecka, e abbastanza sicuro, se si dovesse azzardare un’ipotesi su quanto pesa, zero once sarebbero una risposta ragionevole.

Stanno sfoggiando un materiale composito adattivo per la gestione del calore che hanno contribuito a sviluppare e che è soprannominato per la sua ispirazione: pelle di calamaro.

La pelle dei cefalopodi consente a queste creature di cambiare colore e un’invenzione UCI basata su di essa può isolare bicchieri per bevande, borse da asporto per ristoranti, cassette dei pacchi e, se ne hai abbastanza rotoli, contenitori per spedizioni.

Alon Gorodetsky, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare nel cui laboratorio Liu e Strzelecka conducono ricerche, afferma che l’idea di perseguire applicazioni di imballaggio è nata durante il culmine della pandemia di COVID-19, quando così tanti di noi hanno ordinato generi alimentari e pasti al ristorante per la casa consegna.

“Tutto ciò che è deperibile, tutto ciò che necessita di una temperatura controllata viene fornito con un’incredibile quantità di involucro”, afferma Gorodetsky. “L’applicazione è stata davvero motivata dal pensare a questo problema fondamentale perché l’imballaggio alimentare è molto dispendioso. E il numero di pacchi che tutti hanno consegnato a casa è aumentato di oltre un ordine di grandezza. Dove andrà a finire tutta quella roba dopo? essere in discarica per centinaia di anni, in pratica.”

Ma ciò che l’imballaggio alimentare tradizionale offre è la capacità di mantenere caldi gli articoli caldi, freddi gli articoli freddi e il guscio esterno abbastanza neutro per una facile manipolazione. Il che ci riporta al calamaro basso. L’espansione e la contrazione del cromatoforo nella pelle di un calamaro altera il riflesso e la trasmissione della luce visibile e questi cambiamenti aiutano il cefalopode a comunicare e mimetizzare il suo corpo per nascondersi dai predatori.

Il team di Gorodetsky ha imitato questo approccio consentendo la “termoregolazione sintonizzabile” nel loro materiale, che può portare a una migliore efficienza energetica e persino a proteggere le dita sensibili. Questo è riassunto in “Scalable Manufacturing of Bioinspired Materials With Tunable Heat-Managing Properties”, il documento dei ricercatori dell’UCI che è stato pubblicato il 28 marzo in Sostenibilità della natura.

Lo strato superiore del materiale è in rame e lo strato di supporto sottostante è un comune polimero gommoso. “Il materiale composito può essere riciclato alla rinfusa rimuovendo il rame con l’aceto e utilizzando metodi commerciali consolidati per riutilizzare il polimero estensibile rimanente”, afferma Mohsin Badshah, autore principale del documento ed ex borsista post-dottorato dell’UCI in ingegneria chimica e biomolecolare.

(Erica Leung, che si è recentemente laureata all’UCI con un dottorato di ricerca in ingegneria chimica e biomolecolare, è un’altra coautrice dello studio.)

Mostrando la pelle del calamaro in laboratorio, i coautori Liu e Strzelecka spiegano come il team ha raggiunto l’obiettivo di realizzare qualcosa non solo riciclabile ma non tossico, antibatterico e su larga scala, pur mantenendo la sua elasticità, forza e capacità di regolazione della temperatura.

Il costo era un altro fattore, aggiunge Strzelecka. “Questo materiale era la scelta migliore per il prezzo”, afferma. “Alcune alternative utilizzano oro o argento, ma nel confrontare il prezzo, il nostro approccio è più pratico per i consumatori globali”.

Quindi ha tirato fuori una tazza di caffè di carta con un sottile strato di materiale ispirato alla pelle di calamaro avvolto attorno e tenuto insieme da un velcro. “Puoi allungarlo per modulare quanto caldo vuoi il tuo caffè”, ha detto. “Uno dei nostri esperimenti riguardava la modifica della velocità di raffreddamento”.

“Avere qualcosa che puoi avvolgere intorno alla tua tazza, come lattice o Saran Wrap, ti renderebbe in grado di trasformare quasi tutti i contenitori in un thermos coibentato”, afferma Gorodetsky. “Ma essendo anche in grado di allungare il materiale, puoi adattarlo alle tue esigenze. Forse ti piace che il tuo caffè sia caldo, ma a qualcun altro piace caldo o tiepido”.

C’è ovviamente molto interesse nell’essere in grado di farlo, sulla base dei molti media che hanno riferito del Sostenibilità della natura carta, non che l’attenzione abbia sorpreso Gorodetsky. “L’argomento è molto attuale”, dice. “L’imballaggio sostenibile è solo una delle cose a cui le persone stanno pensando molto. Ci sono stati alcuni articoli di notizie su come Starbucks ha cercato per anni di eliminare la tazza di caffè usa e getta perché è una tale rovina ambientale.

“Quello che mi ha sorpreso è stato l’interesse internazionale. Ci sono molte cose riguardo alle politiche di sostenibilità che stanno accadendo in luoghi come Italia, Germania e Francia. Immagino che dica che forse l’Europa è un po’ più lungimirante di noi in termini di riciclaggio e impatto ambientale.”

Ciò che entusiasma anche Gorodetsky è l’interesse del settore per i materiali ispirati alla pelle di calamaro. “In termini di come possiamo portare avanti questo obiettivo, ci sono state aziende che hanno contattato Beall Applied Innovation”, afferma. “Questo perché abbiamo alcune proprietà intellettuali garantite tramite BAI. È per questo che voglio dare credito a DARPA, che ci ha spinto verso la traduzione”.

Fa riferimento alla Defense Advanced Research Projects Agency, che sviluppa tecnologie emergenti per l’esercito e l’eventuale adattamento per l’uso generale da parte dei consumatori. Droni, personal computer, Internet, attivazione vocale e il vaccino COVID-19 di Moderna sono tra le innovazioni per le quali DARPA può vantare almeno un credito parziale.

“Pensano in modo molto ampio, il che è bello da vedere”, afferma Gorodetsky, il cui laboratorio sta beneficiando della Embedded Entrepreneurship Initiative di DARPA, che accelera le innovazioni trasformative nei prodotti attraverso finanziamenti, tutoraggio e collegamento di scienziati e ingegneri con investitori e partner aziendali.

“Producono tecnologie che hanno il potenziale per creare industrie completamente nuove, capovolgere i mercati esistenti, stabilire vantaggi militari e creare cambiamenti sociali duraturi”, si legge in una spiegazione dei beneficiari dell’iniziativa sul sito web della DARPA. “Tuttavia, l’impatto è drammaticamente rallentato dalla mancanza di capacità imprenditoriali di base e da un’insufficiente comprensione delle dinamiche del mercato del settore privato. L’iniziativa Embedded Entrepreneurship riempie queste lacune di conoscenza aumentando i team di ricerca scientifica con competenze aziendali critiche”.

“Siamo stati in contatto con varie aziende e abbiamo parlato con loro dell’utilizzo di alcune delle nostre tecnologie”, afferma Gorodetsky. “Avere il know-how DARPA coinvolto nel processo è sorprendente. C’è letteralmente un imprenditore supportato da DARPA incorporato nel mio laboratorio che lavora con i miei studenti per cercare di tradurre questa tecnologia in prodotti”.

Non che sia stato facile: il materiale ispirato alla pelle di calamaro ha dovuto competere con altri progetti per essere selezionato.

“Il programma EEI ha poco più di 2 anni ed è così unico”, afferma Gorodetsky. “Siamo stati molto fortunati ad essere premiati. Il processo di selezione deve essere strabiliante a causa di tutte le tecnologie futuristiche che DARPA vede. Poi dicono, ‘Beh, queste sono quelle che pensiamo siano le più promettenti.’ È molto gratificante perché ci mostra fino a che punto siamo arrivati ​​in pochi anni dopo essere partiti da un semplice concetto sulla carta”.

Il materiale ispirato alla pelle di calamaro può essere prodotto per 10 centesimi per metro quadrato, secondo la parte di analisi dei costi del documento Nature Sustainability. Ciò lo renderebbe conveniente come una coperta spaziale. “Siamo ben all’interno della gamma per questi tipi di fogli metallizzati realizzati su apparecchiature standard”, afferma Gorodetsky. “Siamo leggermente nella fascia più alta, ma a tutti gli effetti, è fondamentalmente lo stesso costo di realizzare l’interno di un sacchetto di patatine”.

La corsa dalla ricerca al posizionamento sugli scaffali dei consumatori non è finita. “Quello che l’imprenditore embedded sta facendo ora ci sta aiutando a capire quale sarà un prodotto commerciabile e commercialmente valido”, afferma Gorodetsky. “Potremmo anche realizzare un prototipo di quel prodotto. Poiché ci sono così tante applicazioni diverse, ne scegli una e fai la tua parte con essa.

“L’esempio della tazza di caffè è una bella dimostrazione, ma potrebbe non essere l’applicazione più praticabile dal punto di vista commerciale senza molto più lavoro. Ecco perché trovi qualcuno che ha esperienza di business nel mondo reale. Qualcuno che ti dirà cosa è cosa”.

Ciò che è ciò che per il suo laboratorio è molto più sviluppo del prodotto, una volta che il prodotto esatto è noto, e la risoluzione di ulteriori sfide di produzione.

“Ogni volta che si ridimensiona qualcosa, si tratta di un progetto di ricerca completamente nuovo”, afferma Gorodetsky. “Vogliamo fare rotoli di questa roba dopo. Questa è un’incredibile sfida ingegneristica”.

Poi c’è la possibilità che vengano aggiunte modifiche lungo il percorso, come l’inserimento di sensori all’interno del materiale o l’aggiunta di capacità di autoriparazione. “Ci sono molti campanelli e fischietti che puoi aggiungere”, dice Gorodetsky. “Ma ogni volta che cambi qualcosa, diventa un progetto completamente nuovo.”

Qualunque cosa alla fine diventi, l’UCI detiene il brevetto su un materiale prezioso i cui usi futuri sembrano infiniti. Quando si tratta del laboratorio di Gorodetsky che riceve i proventi, umilmente afferma: “Se avremo qualcosa, sarà un pochino. E ne sarò felice. È un progetto divertente e divertente”.

E gratificante, secondo il coautore per la prima volta Strzelecka.

“La cosa interessante è che le misurazioni che abbiamo effettuato sono state completamente convalidate dai calcoli teorici, il che ci dice che la fisica dietro l’idea è davvero valida”, dice. “Questo è un ottimo motivatore per noi per fare più studi”.


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