Fibre Magiche: Energia dall’Umidità con un Soffio di Bolle per Elettronica Flessibile!

Amici appassionati di scienza e tecnologia, preparatevi a rimanere a bocca aperta! Oggi vi porto nel cuore di una ricerca che sembra uscita da un film di fantascienza, ma che è incredibilmente reale e promettente. Parliamo di come trasformare la semplice umidità ambientale, o persino il nostro respiro, in energia elettrica per alimentare dispositivi elettronici flessibili e indossabili. E tutto questo grazie a un’intuizione geniale ispirata alla natura e a… bolle!

L’Ispirazione dalla Natura e la Sfida dell’Energia Indossabile

Da sempre, noi scienziati guardiamo alla natura come a una fonte inesauribile di ispirazione. Pensate alla seta del ragno, incredibilmente resistente e flessibile, o a come certe piante, come i cactus o la Nepenthes, riescono a catturare e trasportare l’acqua in modi sorprendenti. Queste meraviglie biologiche ci hanno spinto a chiederci: potremmo imitare questi meccanismi per risolvere alcune delle sfide più pressanti del nostro tempo, come la produzione di energia pulita e lo sviluppo di elettronica indossabile sempre più integrata e autonoma?

Le tecnologie idrovoltaiche, che generano elettricità assorbendo o trasferendo acqua libera senza reazioni chimiche, sono emerse come candidate ideali. Immaginate sensori autoalimentati, magari integrati nei tessuti, che non necessitano di batterie ingombranti. Il problema, finora, è stato riuscire a fabbricare fibre funzionali che combinino rilevamento e generazione di energia in modo efficiente, soprattutto perché serve un controllo precisissimo del movimento dell’acqua al loro interno.

La Rivoluzione della Filatura a Flusso Bifasico Gas-Liquido

Ed è qui che entra in gioco la nostra innovazione: un metodo di filatura che abbiamo chiamato “gas-liquid two-phase flow spinning“, ovvero filatura a flusso bifasico gas-liquido. Sembra complicato, ma l’idea di base è affascinante. Ci siamo ispirati alla filatura multimodale del ragno e abbiamo pensato: e se usassimo delle bolle di gas, introdotte nel liquido di filatura, per “scolpire” le fibre mentre si formano?

Proprio così! Introducendo un flusso di gas (come l’azoto) in un liquido contenente il materiale per la fibra (nel nostro caso, principalmente alginato e nanofogli di bisolfuro di molibdeno, o MoS₂), possiamo creare diversi regimi di flusso: singole bolle, “tappi” di bolle (slug flow) o un flusso anulare. Ogni regime deforma il gel liquido in modo diverso proprio nel punto critico in cui esce dall’ugello e si solidifica. Il risultato? Senza cambiare l’ugello di filatura, possiamo produrre fibre con morfologie incredibilmente varie: fibre cave, fibre con nodi a fuso pieni, e persino fibre con strutture superficiali a dente di arresto (simili a un cricchetto).

Queste forme non sono casuali. Ogni struttura è progettata per alterare i comportamenti di adsorbimento e trasferimento dell’acqua, rendendo le fibre adatte a specifiche applicazioni idrovoltaiche, sia per la generazione di energia che per il rilevamento. È un po’ come avere a disposizione un kit di Lego molecolare per costruire la fibra perfetta per ogni esigenza!

MoS₂ e Alginato: Un Matrimonio Perfetto per Fibre Performanti

Il materiale chiave che abbiamo utilizzato è il bisolfuro di molibdeno (MoS₂), un dicalcogenuro di metalli di transizione (TMDC) bidimensionale. Questo materiale è un semiconduttore con eccellenti proprietà meccaniche e, cosa fondamentale per noi, si è dimostrato promettente per la generazione di energia idroelettrica grazie alla diffusione di protoni indotta dall’acqua. Per renderlo “filabile” e per ottimizzare le sue prestazioni, lo abbiamo “ponteggiato” con alginato di sodio (SA), un polimero naturale. Questo processo non solo ci permette di creare una soluzione di filatura viscosa e stabile, ma espande anche la distanza tra gli strati di MoS₂, facilitando il movimento dei protoni – un aspetto cruciale per l’effetto idrovoltaico.

Abbiamo analizzato nel dettaglio queste interazioni: microscopia a forza atomica (AFM) e microscopia elettronica a trasmissione (TEM) ci hanno mostrato come l’alginato ricopra i nanofogli di MoS₂ e ne aumenti lo spessore e la distanza interstrato. Spettroscopia Raman e diffrazione dei raggi X (XRD) hanno confermato queste modifiche strutturali, indicando che l’alginato si intercala con successo tra gli strati di MoS₂.

La nostra tecnica di filatura a flusso bifasico gas-liquido supera i limiti dei metodi tradizionali, che spesso producono fibre con una sola morfologia superficiale. Il nostro approccio è meno costoso, più semplice e incredibilmente versatile.

Le Super-Fibre e le Loro Abilità Speciali

Ma vediamo più da vicino cosa sanno fare queste fibre speciali:

• Le fibre a fuso cavo (CSK) sono fantastiche per l’immagazzinamento dell’acqua. Grazie alla loro cavità interna, possono assorbire umidità fino al 414% del loro peso al 95% di umidità relativa (RH)! Questo le rende ideali per la generazione di energia prolungata.
• Le fibre a fuso pieno (SSK) eccellono nella raccolta della nebbia. I loro nodi solidi agiscono come punti di condensazione e raccolta, raggiungendo una capacità di 44.6 μL/mm.
• Le fibre a dente di arresto concavo (CRT), o fibre a cricchetto, sono maestre nel trasporto direzionale dell’acqua. I loro solchi superficiali guidano le goccioline d’acqua a velocità impressionanti, fino a 6890 µm/s! Questa proprietà è perfetta per sensori rapidi.

Abbiamo studiato a fondo la dinamica dei fluidi e i meccanismi di formazione di queste strutture, anche con simulazioni computazionali. Ad esempio, a bassi rapporti gas-liquido si formano bolle singole che, incapsulandosi nel gel, danno origine ai fusi cavi. A rapporti intermedi, il flusso a “tappi” (slug flow) produce fibre di gel segmentate che, una volta essiccate, diventano fusi solidi. Ad alti rapporti, il getto anulare genera le strutture a dente di arresto a causa delle elevate forze di taglio e dell’instabilità di Rayleigh-Plateau. Abbiamo persino creato un diagramma di fase ternario che mappa le diverse morfologie ottenibili controllando la concentrazione della soluzione di filatura, la pressione del gas e la velocità di avanzamento della siringa.

Dall’Umidità all’Elettricità: Il Meccanismo Idrovoltaico in Azione

Come generano elettricità queste fibre? Il principio si basa sull’effetto idrovoltaico. Quando le fibre assorbono umidità, si crea un gradiente di concentrazione di protoni (ioni H+) all’interno del materiale SA-b-1T-MoS₂. L’alginato, ricco di gruppi idrossilici (-OH) e carbossilici (-COOH), agisce come donatore e accettore di protoni. In condizioni di bassa umidità, i protoni si muovono tramite un meccanismo di “salto” tra i gruppi carbossilici. Ad alta umidità, invece, si attiva il meccanismo di Grotthuss, dove i protoni viaggiano attraverso catene di molecole d’acqua legate da legami idrogeno. Questo movimento di cariche genera una differenza di potenziale, e quindi una corrente elettrica, che possiamo raccogliere usando elettrodi (nel nostro caso, un filo di molibdeno al centro della fibra e nanotubi di carbonio avvolti esternamente).

Le diverse morfologie delle fibre influenzano drasticamente queste prestazioni. Le fibre a fuso cavo, grazie alla loro capacità di immagazzinare acqua, possono generare una tensione a circuito aperto di 0.4 V per oltre 43 ore, con una densità di potenza di 2.18 mW/cm³ e un’efficienza di conversione energetica stimata del 15.6%! Le fibre a dente di arresto, invece, mostrano una sensibilità elevatissima ai cambiamenti di umidità (9.36 mV/RH%/s o 5.8 mV/RH% a seconda delle configurazioni) e un tempo di risposta rapidissimo (0.66 s), rendendole perfette per il sensing.

Abbiamo anche dimostrato che la tecnica è scalabile ad altri polimeri, come l’alcol polivinilico (PVA) e la carbossimetilcellulosa sodica, aprendo la strada a una vasta gamma di materiali funzionali.

Applicazioni Rivoluzionarie: Mascherine Intelligenti e Oltre

Le potenzialità di queste e-fibre sono enormi. Pensate a sensori capaci di rilevare goccioline d’acqua, nebbia o persino la vicinanza di un dito senza contatto. Abbiamo costruito una “ragnatela” bionica con le nostre fibre a fuso cavo che ha generato 1.2 V per 25 ore continuativamente, abbastanza per far funzionare una calcolatrice! Immaginate vestiti che si autoalimentano o che monitorano i parametri vitali.

Un’applicazione particolarmente entusiasmante è nel campo della salute. Abbiamo integrato le nostre fibre a dente di arresto in mascherine N95 commerciali per monitorare l’attività respiratoria: respiro normale, respiro affannoso dopo l’esercizio, e persino per rilevare potenziali episodi di apnea notturna. Ma siamo andati oltre: abbiamo progettato e stampato in 3D una mascherina intelligente completa. Questo sistema non solo raccoglie i dati respiratori in tempo reale (separando il flusso d’aria delle due narici per monitorare il ciclo nasale, un importante indicatore diagnostico), ma li elabora e li trasmette wireless a un telefono o a un computer. In caso di apnea, il sistema può attivare un LED e un cicalino, fornendo un intervento tempestivo. Questo apre scenari incredibili per la telemedicina e la diagnosi personalizzata.

La mascherina è flessibile, comoda da indossare e le e-fibre sono facilmente sostituibili. Abbiamo testato il monitoraggio del respiro nasale per un’intera notte, dimostrando la fattibilità del sistema.

Un Futuro Intessuto di Energia e Innovazione

In sintesi, abbiamo sviluppato un sistema di filatura rivoluzionario, ispirato alla natura, che ci permette di fabbricare rapidamente fibre con morfologie complesse e prestazioni eccezionali. Sfruttando la dinamica delle bolle, possiamo programmare la forma delle fibre senza modificare l’ugello, aprendo la strada a un design “struttura-funzione” integrato.

Questa ricerca non è solo un passo avanti nella scienza dei materiali e nell’elettronica flessibile; è una porta verso un futuro in cui l’energia può essere raccolta in modo sostenibile dall’ambiente che ci circonda, e dove la tecnologia indossabile diventa sempre più intelligente, discreta e utile per migliorare la nostra vita quotidiana. Dalla generazione di energia all’environmental sensing, fino alle applicazioni biomediche, le possibilità sono davvero illimitate. E pensare che tutto è iniziato da un soffio… di bolle!

Fonte: Springer