Il ruolo dei polimeri conduttivi nello sviluppo dei dispositivi elettronici flessibili

In the last decades the developments in technology have been remarkable. Sophisticated technologies such as electrocardiogram, various sensors and the most recent bionic prosthesis are just part of the results of the researches carried out in recent years and even though their purposes are different, each of them requires compatibility with the human body although this is rather impossible to obtain with silicon traditional electronics. This setback is mainly due to the excessive materials' rigidity used up to now, since the devices directly applied to the skin, or wearable, undergo frequent flexures and mechanical stresses. Therefore, these new technologies need conductors capable of resisting to extended and repeated stresses without sacrificing performance or turning out to be uncomfortable or dangerous when it comes to their application on human bodies. Moreover, the materials which the conductors are made up of should not cause health problems or incur sudden ruptures when they interact with human beings. This is very important for the development of robotic prosthesis which, besides being able to be chronically implanted in the human body, they should pick up the electric signals of the nerves, immediately converting them to accurate movements. In view of these necessities, the new technologies must be provided with extensibility compatible with human skin, but also high conductivity at once. This latter should be similar to that of noble metals, which are usually used in traditional electronics. The purpose of all of this is to confer comfort, fracture resistance and constant electrical properties to wearable electronics. To achieve this goal stretchable conductors, which are the object of my final dissertation, developed at the same pace as the new technologies. These materials combine a high electrical conductivity with the elasticity of polymers since they can withstand deformation of varying entities without causing the interruption of electrical flow. They can be conductors intrinsically equipped with extensibility or obtained by the combination of conductive materials with a elastomeric substrate which provides the researched mechanical properties. Furthermore, they can be generally divided into three macro-cathegories: organic polymers of intrinsic conduction, hybrid conductors which are respectively stretchable conductors and conductors made by metals inside a polymeric substrate, finally self-repairing conductors. The development of this latter category was also encouraged by soft-robotics, e.g. prosthesis, and it includes stretchable conductors both fully organic and hybrid. My dissertation is divided into three chapters which respectively talk about the main methods of production and the chemical composition of the three macro-cathegories, the conductors' advantages and disadvantages and some of the main technological applications. The first chapter is divided into three paragraphs, one for each of the three macro-categories and divided in as many subparagraphs as the stretchable conductors mainly used are. The second chapter was written with the aim of listing the mechanical and electrical properties of the various conductors presented in the previous chapter, hence it follows the same scheme of the subparagraphs. My goal is to explain why certain materials are preferred in specific applications instead of others. The third and last chapter is about their main applications, showing their use in view of the production of appropriate composite devices together with their application in medical environment.

Negli ultimi decenni la tecnologia si è sviluppata molto. Tecnologie sofisticate come l'elettrocardiogramma, i vari sensori e le più recenti protesi bioniche, sono solo alcuni dei frutti delle ricerche svolte negli ultimi anni, ma anche se svolgono funzioni differenti, ognuna di queste necessita di compatibilità con il corpo umano, cosa quasi impossibile da ottenere con l'elettronica tradizionale al silicio. Questo inconveniente è dovuto principalmente all'eccessiva rigidità dei materiali finora utilizzati, dato che i dispositivi applicati direttamente su pelle, oppure indossabili, sono sottoposti a frequenti flessioni e sforzi meccanici. Pertanto queste nuove tecnologie necessitano di conduttori capaci di resistere a sforzi prolungati e ripetuti, senza perdere in prestazioni e senza risultare scomodi o pericolosi per le applicazioni sull'uomo. Inoltre, quando si interfacciano con l'uomo, i materiali che li costituiscono non devono arrecare problemi alla salute né incorrere in rotture improvvise. Ciò è molto importante per lo sviluppo delle protesi robotiche, le quali devono poter essere impiantate nel corpo umano cronicamente oltre a poter captare i segnali elettrici dei nervi, convertendoli in movimenti accurati nell'immediato. A causa di queste necessità, le nuove tecnologie devono essere dotate contemporaneamente di estensibilità compatibile con la pelle umana e conducibilità elevate. Possibilmente dev'essere simile a quella dei metalli nobili, i quali sono solitamente utilizzati nell'elettronica tradizionale. Tutto ciò serve a conferire all'elettronica indossabile, comodità, resistenza alle fratture e proprietà elettriche costanti. Per raggiungere questo obiettivo, si sono sviluppati di pari passo i conduttori estensibili, i quali saranno oggetto della mia dissertazione finale. Questi materiali combinano una conducibilità elettrica elevata all'elasticità dei polimeri, potendo sopportare deformazioni di diversa entità senza causare l'interruzione del flusso elettrico. Possono essere dei conduttori dotati intrinsecamente di estensibilità, oppure essere ottenuti dalla combinazione di materiali conduttori con una matrice elastomerica, la quale fornisce le proprietà meccaniche ricercate. Inoltre, possono essere divisi generalmente in tre macro-categorie: i polimeri organici a conduzione intrinseca, i conduttori ibridi, che sono rispettivamente conduttori estensibili intrinseci e conduttori formati da metalli in matrice polimerica, ed infine i conduttori autoriparanti. Lo sviluppo di quest'ultima categoria è stato incentivato anche dalla soft-robotica, come le protesi, e comprende conduttori estensibili sia completamente organici sia ibridi. L'elaborato è diviso in tre capitoli che trattano rispettivamente dei principali metodi di produzione e della chimica delle tre macro-categorie, i vantaggi e gli svantaggi dei conduttori, ed infine alcune delle principali applicazioni tecnologiche. Il primo capitolo è diviso in tre paragrafi, uno per ognuna delle tre macro-categorie, divisi a loro volta in tanti sottoparagrafi quanti sono i conduttori estensibili principalmente utilizzati. Il secondo capitolo è stato scritto con l'intenzione di elencare le proprietà meccaniche ed elettriche dei vari conduttori trattati nel capitolo precedente, pertanto segue lo stesso schema di sottoparagrafi. Il mio obiettivo è spiegare il perché si preferiscano determinati materiali in applicazioni specifiche rispetto ad altri. Il terzo ed ultimo capitolo è volto a trattare alcune delle loro principali applicazioni, mostrandone l'utilizzo per la produzione di opportuni dispositivi compositi, oltre alle loro applicazioni soprattutto in ambito medico.