Il primo volo di una farfalla ispira un nuovo modo per produrre forza ed elettricità.

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dell'Università di Tecnologia e Design di Singapore

Le ali di una farfalla sono composte di chitina, un polimero organico che è il componente principale delle conchiglie degli artropodi come i crostacei e altri insetti. Quando una farfalla emerge dal suo bozzolo nella fase finale della metamorfosi, lentamente svolge le sue ali nella loro piena grandezza.

Durante lo sviluppo, il materiale chitinico si disidrata mentre il sangue scorre nelle vene della farfalla, producendo forze che riorientano le molecole del materiale per conferire la resistenza e la rigidità necessarie per il volo. Questa combinazione naturale di forze, movimento dell'acqua e organizzazione molecolare è l'ispirazione della ricerca dell'Associate Professor Javier G. Fernandez.

Insieme ad altri ricercatori della Singapore University of Technology and Design (SUTD), Fernandez ha esplorato l'uso di polimeri di chitina come materiale sostenibile per applicazioni ingegneristiche.

Nel loro ultimo studio, "Secondary reorientation and hygroscopic forces in chitinous biopolymers and their use in passive and biochemical actuation", pubblicato su Advanced Materials Technologies, il team di ricerca ha approfondito l'adattabilità e le modifiche molecolari dei materiali chitinici in risposta ai cambiamenti ambientali. I ricercatori dello SUTD scoprono le promettenti capacità della chitina come biomateriale intelligente sostenibile. Attraverso lo scambio di acqua con l'ambiente, i film chitinosi responsivi all'umidità possono generare energia meccanica ed elettrica per potenziali utilizzi nell'ingegneria e nelle applicazioni biomediche. Credit: SUTD

"Abbiamo dimostrato che anche dopo essere stati estratti da fonti naturali, i polimeri di chitina mantengono la loro capacità naturale di collegare diverse forze, organizzazione molecolare e contenuto di acqua per generare movimento meccanico e produrre elettricità senza la necessità di una fonte di energia esterna o un sistema di controllo", ha detto Fernandez, evidenziando le caratteristiche uniche che rendono i polimeri di chitina materiali intelligenti energeticamente efficienti e biocompatibili.

La chitina è il secondo polimero organico più abbondante nella natura dopo la cellulosa ed è presente in ogni ecosistema. Può essere facilmente ed in modo sostenibile ottenuta da organismi multipli e lo stesso team di ricerca dello SUTD ha dimostrato che può essere ottenuta persino dai rifiuti urbani.

Nello studio attuale, i ricercatori hanno estratto polimeri di chitina da gusci di gamberetti scartati per creare film dallo spessore di circa 130,5 micrometri. Hanno studiato gli effetti delle forze esterne su questi film di chitina, concentrandosi sui cambiamenti nell'organizzazione molecolare, nel contenuto d'acqua e nelle proprietà meccaniche. I ricercatori hanno osservato che, simili allo svolgimento delle ali delle farfalle, lo stiramento dei film di chitina ha riorganizzato la struttura cristallina, le molecole si sono compattate maggiormente e il contenuto d'acqua è diminuito.

Inizialmente con caratteristiche simili alle materie plastiche di consumo, i film di chitina sono stati trasformati in un materiale simile alle plastiche per scopi ingegneristici di fascia alta e specializzata. A differenza della natura inerte dei polimeri sintetici, i film di chitina riorganizzati potevano rilassarsi e contrarsi autonomamente in risposta ai cambiamenti ambientali, simile al modo in cui alcuni insetti adattano il loro guscio a diverse situazioni. Questa capacità consente ai film di chitina di sollevare oggetti fino a 4,5 chilogrammi in verticale.

Per dimostrare l'applicabilità ingegneristica dei film biocompatibili, il team di ricerca li ha assemblati in una mano meccanica. Controllando l'acqua intermolecolare dei film attraverso i cambiamenti ambientali e i processi biochimici, il team ha creato sufficiente forza per far eseguire alla mano un movimento di presa. In modo impressionante, la forza di presa era equivalente a 18 chilogrammi, più della metà della forza di presa media di un adulto.

La capacità di produrre una tale forza attraverso mezzi biochimici suggerisce anche l'integrazione potenziale senza soluzione di continuità dei film di chitina nei sistemi biologici e la loro idoneità per applicazioni biomediche, come i muscoli artificiali e gli impianti medici.

In una dimostrazione diversa, il team ha mostrato che la risposta del materiale ai cambiamenti di umidità poteva essere utilizzata per raccogliere energia dai cambiamenti ambientali e convertirla in energia elettrica. Attaccando i film a un materiale piezoelettrico, il movimento meccanico dei film in risposta ai cambiamenti dell'umidità veniva convertito in correnti elettriche adatte per alimentare piccoli dispositivi elettronici.

Fernandez's proof-of-concept study illustrates how both the native mechanical characteristics and embedded functionalities of chitin can be reproduced, emphasizing the potential use of chitin in engineering and biomedical applications. He opines that materials like chitin play a vital role in the transition to a more sustainable paradigm, which he terms as the biomaterial age.

'Chitin is used for many complex functions in nature, from making the wings of insects to forming the hard protective shells of mollusks, and has direct engineering application. Our ability to understand and use chitin in its native form is critical to enable new engineering applications and develop them within a paradigm of ecological integration and low energy,' concluded Fernandez.

Journal information: Advanced Materials Technologies

Provided by Singapore University of Technology and Design