Nanoattuatori attivati dal calore per microrobotica dal CNR
23/12/2020
nanoattuatori CNR Spin

Frutto di un progetto congiunto Italia-Giappone, i ricercatori dell’Istituto superconduttori, materiali innovativi e dispositivi (CNR-Spin) ha presentato un prototipo di nanoattuatore planare che viene attivato dal calore, sviluppato in collaborazione con l’Università degli Studi di Genova e l’Istituto di Ricerca Scientifica e Industriale dell’Università di Osaka.

“Il dispositivo può trovare impiego come elemento base in strutture meccaniche di tipo planare più complesse – spiega Luca Pellegrino del CNR-Spin e coordinatore italiano del progetto ‘Solid State Actuators for Micro/Nanorobotics’ -. Esempi applicativi sono micropinze o interruttori optomeccanici, che possono essere realizzati con tecniche di tipo top-down e attuati termicamente a distanza, per mezzo di luce laser focalizzata“. Il progetto è stato finanziato dal Ministero degli affari esteri e della Cooperazione Internazionale (http://www.vo2actuators.spin.cnr.it/). Il lavoro ha ottenuto anche il finanziamento del CNR nell’ambito del progetto bilaterale di ricerca congiunto CNR-Japan Society for the promotion of science (JSPS) 2018-2019, ‘Domain manipulation in VO2 freestanding nanomechanical structures’.

Il dispositivo funziona utilizzando un film sottile di biossido di vanadio (VO2), uno speciale materiale che a una temperatura di circa 65° C è in grado di espandersi o contrarsi, potendo quindi essere impiegato per svolgere lavoro meccanico. Andando nel tecnico, un cristallo di VO2 nella sua transizione di fase mostra un cambiamento dei passi reticolari di circa lo 0,25%. Nei monocristalli è quindi possibile arrivare a quasi l’1% lungo una direzione cristallografica. Valore enorme se si pensa che per la stessa variazione termica l’espansione di un metallo convenzionale sarebbe di circa lo 0,02%. Nel caso del VO2 inoltre la transizione è completamente reversibile, e possiede intrinsecamente una densità di energia elevata. Questa caratteristica mette il materiale in competizione con le più note leghe a memoria di forma, come il NiTi (Nitinol), la cui integrazione alla nanoscala è peraltro soggetta ad alcuni limiti.

Il dispositivo di tipo ‘Chevron’ realizzato è stato ottenuto con tecniche combinate di nanolitografia e deposizione laser pulsata, che consentono la realizzazione di bracci meccanici ad elevato rapporto di aspetto spessore/larghezza. Questo fa sì che il movimento dei bracci stessi sia sul piano, limitando l’incurvatura della struttura fuori dallo stesso. “La transizione di fase strutturale nei film sottili di VO2 avviene per domini cristallini – aggiunge Daniele Marré dell’Università di Genova, associato a CNR-Spin e coautore del lavoro -. A seconda della qualità strutturale dei film, i domini possono presentare orientazioni spaziali diverse ed essere ingegnerizzati per agire in maniera sinergica al movimento di strutture più complesse. Il nostro approccio si basa sulla realizzazione di sistemi MEMS o NEMS (micro e nano electromechanical systems) interamente basati su ossidi cristallini. Questo ci consente di controllare l’orientazione cristallografica dei film di VO2, ottenendo una maggiore efficienza e controllo dell’attuazione meccanica“.

“In futuro non escludiamo la possibilità di sviluppare dispositivi che operino anche in ambiente liquido – conclude quindi Pellegrino -, con la prospettiva dunque di aprire nuove e ulteriori opportunità applicative”.

L’era dell’Industria 4.0, basata sulla digitalizzazione e l’interconnessione dei processi produttivi, ha ormai ceduto il passo a quella dell’Industria 5.0….