Finché la chimica non è giusta
All'Empa, Dorina Opris sta studiando come sintetizzare polimeri elettroattivi complessi per componenti robotici, sensori o batterie - un progetto promettente che il Consiglio europeo della ricerca sta attualmente finanziando con uno dei suoi prestigiosi "ERC Consolidator Grants". Questo non è il primo successo della chimica dell'Empa, ma la strada per raggiungerlo non è stata facile.
Il fatto che abbia padroneggiato il suo campo dalla A alla Z è, come lei stessa sottolinea, anche grazie al know-how acquisito dai colleghi dell’Empa, come l’ingegnere Gabor Kovac. Ha spinto la produzione di attuatori a pila con dischi in silicone espandibili per molti anni e li ha sviluppati fino alla maturità operativa con il suo partner Lukas Düring, fino a quando il loro spin-off “CTsystems” è stato recentemente acquisito dal Gruppo Daetwyler.
“I dispositivi per misurare il modo in cui gli attuatori si allungano in diversi campi elettrici sono stati sviluppati da loro”, dice Opris, “eravamo in anticipo su questo argomento, e questo mi ha aiutato enormemente” A differenza dei suoi colleghi, tuttavia, la chimica non lavora tanto sulla tecnologia per la stampa di tali componenti, quanto su un “piano inferiore”: la sintesi di nuovi polimeri adatti come strati non conduttivi per transistor impilati, film elastici per la generazione di energia e altri elementi.
Il profilo desiderato: il più sottile possibile, con l’obiettivo a lungo termine di molti strati di soli dieci micrometri di spessore; facilmente estensibile, sensibile alla bassa tensione di corrente e robusto allo stesso tempo. E soprattutto: stampabile, ossia senza solventi per gli strati conduttivi tra i quali si trovano i polimeri. “I solventi possono danneggiare gli strati polimerici. Inoltre, il materiale dovrebbe asciugarsi a lungo per non emettere vapori nocivi”, spiega Opris, “quindi cerchiamo di farne a meno – con la giusta chimica”
Ci sono molti requisiti diversi che i ricercatori di tutto il mondo stanno affrontando. I composti adatti che suscitano speranze sono i polisilossani, su cui sta lavorando anche lo specialista dell’Empa. Un vantaggio importante di questi polimeri è che sono relativamente facili da sintetizzare; la “spina dorsale” dei loro filamenti è molto mobile – e possono essere manipolati in modo specifico con gruppi polari, cioè molecole più o meno cariche.
Molecole simili a serpenti
Ciò che è difficile da capire per i non addetti ai lavori, Dorina Opris lo spiega con un’immagine vivida: “Si possono immaginare questi polisilossani come un vaso pieno di serpenti che vogliono muoversi in continuazione” I gruppi polari hanno un duplice effetto. Da un lato, rendono i serpenti molecolari più sensibili ai campi elettrici, in modo che rispondano a tensioni basse. Dall’altro lato, agiscono come una sorta di colla tra le molecole; questo le ‘irrigidisce’ e quindi riduce l’importante elasticità. È necessario mettere a punto entrambi gli effetti per ottenere il massimo successo. Per un’applicazione pratica, la transizione dallo stato solido a quello elastico a basse temperature è importante, in modo che la tecnologia possa poi essere utilizzata a temperatura ambiente. Inoltre, tali strutture polimeriche devono ancora essere ‘reticolate’ chimicamente, in modo che possano diventare strati elastici – ad esempio con la luce UV e con l’aiuto dei cosiddetti gruppi terminali: ‘cappelli’ quasi molecolari che i serpenti indossano alle loro estremità. Ma nella pratica di laboratorio, finora si è dimostrato difficile fornire in modo affidabile questi polimeri con gruppi terminali definiti. “Questo mi infastidisce già!”, ammette Opris con un sorriso.
Una sana ambizione è necessaria per il progetto TRANS, che la stessa chimica definisce “molto, molto ambizioso”. Il team è ottimista perché il lavoro precedente ha già prodotto risultati incoraggianti; ad esempio, un composto di polisilossano che ha reagito a una tensione di soli 300 volt e si è deformato fortemente – un valore estremamente basso. È già stata ottenuta anche la stampa di strati di condensatori senza solventi. E uno studente di dottorato ha recentemente sviluppato un elastomero piezoelettrico che, quando viene stirato, mostra una risposta elettrica significativamente più elevata rispetto ad altri composti attualmente in uso.
Creatività e spirito di squadra per il successo
Naturalmente, sono necessari molti altri passi per ottenere successi utilizzabili – e quelle qualità che hanno portato Dorina Opris all’Empa e al Politecnico di Zurigo. Non solo la resistenza e la capacità di trasformare i tentativi falliti in progressi, ma anche di creare un ambiente stimolante per i dipendenti, che permetta un dibattito aperto e anche gli errori, in modo da far emergere le buone idee.
E soprattutto: l’ottimismo. Il capo ritiene che ai giovani ricercatori debbano essere affidati progetti stimolanti e impegnativi, per poi permettere loro di lavorare in modo indipendente, in modo da rimanere motivati. Il suo consiglio alle donne di talento, basato sulla sua biografia: “Non aspettare che qualcuno ti spinga a fare ricerca. Devi essere auto-motivata e forte, e darti da fare! E anche rischiare, a volte”