La luce non serve soltanto a illuminare: può diventare un vero e proprio strumento capace di mettere in movimento un materiale.
È questa la prospettiva aperta dallo studio "Photo-guided Azopolymer Hydrogel Actuators", pubblicato sulla rivista Light: Science & Applications, tra le principali riviste scientifiche internazionali dedicate alla ricerca di base e applicata nei campi dell'ottica e della fotonica, che vede tra gli autori il professor Emiliano Descrovi del Dipartimento di Scienza Applicata e Tecnologia-DISAT, coordinatore del lavoro, e David Urban, che ha svolto un dottorato in cotutela tra la Norwegian University of Science and Technology (NTNU) e il Politecnico di Torino.
Il lavoro introduce una nuova classe di materiali responsivi a stimoli esterni in grado di trasformare impulsi luminosi in movimento meccanico controllato e reversibile. Al centro della ricerca c'è un hydrogel fotoresponsivo, cioè un materiale polimerico soffice, ricco d'acqua e capace di rispondere alla luce, con caratteristiche simili a quelle dei tessuti biologici. Al suo interno sono incorporate delle nanoparticelle di azopolimero: minuscoli "motori" sensibili alla luce che, quando vengono illuminati, cambiano forma seguendo la direzione della polarizzazione del fascio luminoso. Questo hydrogel raccoglie e trasmette questo movimento all'intera struttura, conferendole elasticità, stabilità anche in ambiente acquoso e la reversibilità dell’attuazione meccanica.
Uno degli aspetti più innovativi della ricerca è la riconfigurabilità del materiale. Negli azopolimeri tradizionali, infatti, la deformazione è permanente o quasi permanente: una volta modificata la forma, il materiale conserva quella configurazione e ogni successiva deformazione cumula con la precedente. Nel nuovo composito, invece, l'idrogel introduce forze elastiche che consentono di riportare la struttura verso la configurazione iniziale. In questo modo, lo stesso microsistema può essere deformato ripetutamente, in direzioni e modalità diverse, semplicemente variando la polarizzazione della luce, senza perdere le proprie funzionalità.
Lo studio dimostra, inoltre, prestazioni senza precedenti. In una configurazione tipica, il materiale raggiunge deformazioni reversibili del 200%, valori superiori a quelli finora ottenuti con materiali fotoresponsivi analoghi, mantenendo al tempo stesso stabilità in ambiente acquoso e la possibilità di sovrascrivere le deformazioni precedenti per circa una decina di cicli ripetuti.
Se la reversibilità della deformazione rappresenta il principale avanzamento scientifico del lavoro, il controllo remoto mediante la luce ne costituisce il maggiore punto di forza applicativo. La luce diventa, infatti, un vero e proprio strumento di controllo: può essere indirizzata con estrema precisione solo dove necessario, senza ricorrere a fili, motori o dispositivi meccanici, quindi al contatto.
Questa caratteristica permette di manipolare strutture grandi appena pochi micrometri, come micro-pilastri che si allungano seguendo la direzione della luce o micro-pozzetti che possono aprirsi e richiudersi più volte in modo controllato.
Le possibili applicazioni sono numerose e interessano innanzitutto il settore biomedicale. Il materiale è stato progettato come substrato dinamico per la crescita cellulare: modificandone localmente la forma mediante la luce sarà possibile guidare orientamento, migrazione e compartimentazione di cellule e tessuti, con un livello di controllo spaziale e temporale non raggiungibile con i tradizionali substrati statici. Il tutto implementabile in un microscopio convenzionale da laboratorio.
La piattaforma potrà inoltre essere impiegata nello sviluppo di dispositivi microfluidici, sistemi per la coltura tridimensionale di cellule e organoidi, microvalvole ottiche e microsistemi intelligenti controllati dalla luce, aprendo nuove prospettive per la medicina rigenerativa, il drug delivery e le biotecnologie.
Il risultato segna anche un importante passo verso il trasferimento tecnologico. La tecnologia è protetta da una domanda di brevetto depositata nel 2025, attualmente in fase di estensione internazionale (PCT), con l'obiettivo di accelerarne lo sviluppo verso applicazioni industriali e commerciali.
“Questo lavoro si colloca in un filone di ricerca particolarmente di frontiera, relativamente poco consolidato, ma che in grado di regalare nuovi e sorprendenti risultati. Nonostante la difficoltà nel raccogliere fondi dedicati a supporto di questa attività, grazie al talento ed all’entusiasmo dei miei collaboratori, in primis il dottor David Urban che ho avuto il piacere di co-supervisionare durante il suo dottorato tra Trondheim e Torino, siamo riusciti a realizzare questo polimero composito capace di queste straordinarie deformazioni reversibili controllate dalla luce. Una bella storia che spero potrà avere un seguito anche fuori dall’università, in ambiti più applicativi e vicini al mercato”, dichiara il professor Emiliano Descrovi.