La prossima generazione di dispositivi indossabili potrebbe letteralmente aderire alla pelle come un tatuaggio luminoso, mostrando in tempo reale dati fisiologici cruciali quali variazioni di temperatura corporea, flusso sanguigno o pressione. Questa visione futuristica si avvicina alla realtà grazie a una ricerca internazionale che ha superato uno dei principali ostacoli tecnologici degli schermi OLED flessibili: la perdita di luminosità dopo ripetute deformazioni meccaniche. Un team coordinato dalla Seoul National University in Corea del Sud e dalla Drexel University negli Stati Uniti ha sviluppato un display organico elastico che mantiene le sue prestazioni anche quando sottoposto a stress meccanici ripetuti, aprendo prospettive concrete per applicazioni biomedicali e comunicative indossabili.
Lo studio, pubblicato recentemente sulla rivista Nature, presenta un'architettura completamente ripensata che integra uno strato polimerico fosforescente con elettrodi trasparenti realizzati in MXene, un nanomateriale bidimensionale caratterizzato da eccezionale conducibilità elettrica. Il dispositivo risultante può allungarsi fino a 1,6 volte la sua lunghezza originale preservando la maggior parte della luminosità iniziale, un risultato che rappresenta un significativo passo avanti rispetto alle tecnologie precedenti.
Gli OLED flessibili, già impiegati negli smartphone pieghevoli e nei monitor curvi, generano luce attraverso un processo chiamato elettroluminescenza: quando la corrente elettrica attraversa il dispositivo, cariche positive e negative migrano tra gli elettrodi attraversando uno strato di polimero organico. L'incontro di queste cariche produce luce e forma una particella detta eccitone prima di raggiungere uno stato elettrico stabile. Modificando la composizione chimica dello strato organico è possibile determinare il colore della luce emessa, ma questa tecnologia ha mostrato limiti strutturali quando sottoposta a flessioni ripetute.
"Questo studio affronta una sfida che persiste da tempo nella tecnologia OLED flessibile, ovvero la durabilità della luminescenza dopo ripetute sollecitazioni meccaniche", ha spiegato Yury Gogotsi, docente presso il College of Engineering della Drexel University e uno degli autori senior della ricerca. Il problema principale risiede nello strato conduttore trasparente: conferire flessibilità ai materiali conduttori tradizionalmente richiede l'incorporazione di polimeri isolanti ma elastici, che ostacolano il trasporto delle cariche elettriche e di conseguenza riducono l'emissione luminosa. Inoltre, i materiali comunemente utilizzati negli elettrodi tendono a diventare fragili e a fratturarsi con l'uso prolungato.
La soluzione proposta dal gruppo di ricerca si articola su due fronti innovativi. Il primo riguarda lo strato emissivo, completamente ridisegnato utilizzando un materiale denominato ExciPh (exciplex-assisted phosphorescent), naturalmente elastico e ingegnerizzato per regolare i livelli energetici delle cariche in movimento. Questa configurazione facilita l'incontro delle cariche e la formazione di eccitoni, incrementando notevolmente la produzione di luce. Per comprendere il meccanismo, si può immaginare una giostra che rallenta per consentire a più persone di salirvi in sicurezza: analogamente, l'ExciPh ottimizza le condizioni affinché più cariche si combinino efficacemente.
Questa efficienza di conversione rappresenta un miglioramento sostanziale rispetto ai dispositivi attualmente in commercio. Per incrementare ulteriormente la flessibilità meccanica, i ricercatori hanno incorporato una matrice elastomerica di poliuretano termoplastico nello strato ExciPh, conferendo al materiale proprietà elastiche superiori senza compromettere le prestazioni ottiche.
Il secondo fronte innovativo riguarda gli elettrodi, dove è stato impiegato il MXene, un nanomateriale bidimensionale sviluppato proprio dai ricercatori della Drexel University nel 2011. Combinato con nanofili d'argento, il MXene forma una rete conduttiva che facilita il trasferimento efficiente delle cariche elettriche verso lo strato polimerico emissivo. Questa architettura migliora l'iniezione di cariche e consente al dispositivo di mantenere la luminosità anche durante deformazioni significative. Danzhen Zhang, coautore dello studio e ricercatore postdottorale presso la Northeastern University, ha sottolineato che gli elettrodi a base di MXene presentano elevata robustezza meccanica e funzione di lavoro regolabile, garantendo un'iniezione efficiente sia di elettroni che di lacune elettroniche.
Le verifiche sperimentali hanno confermato le prestazioni superiori del nuovo design. Il team ha realizzato display OLED verdi flessibili, incluse configurazioni a forma di cuore e con cifre numeriche, misurando il tasso di conversione carica-eccitone e le prestazioni durante cicli ripetuti di allungamento. Quando sottoposto a una deformazione pari al 60% del massimo allungamento possibile, il dispositivo ha mostrato una riduzione prestazionale di appena il 10,6%. Dopo 100 cicli di allungamento ripetuto al 2% della deformazione massima, i display hanno mantenuto l'83% dell'emissione luminosa originale, dimostrando una durabilità significativamente migliorata rispetto ai prototipi precedenti.
I ricercatori della Seoul National University hanno inoltre costruito un display OLED completamente elastico a colori utilizzando quattro materiali droganti diversi nello strato ExciPh, dimostrando la versatilità cromatica della tecnologia. Hanno anche sviluppato OLED a matrice passiva completamente elastici, caratterizzati da un design semplice e a basso consumo energetico particolarmente adatto per l'elettronica indossabile. L'efficienza energetica e la luminosità risultano superiori rispetto ai design precedenti, confermando il potenziale applicativo del nuovo approccio.
"Prevediamo che il successo di questo approccio nella progettazione di dispositivi optoelettronici flessibili ad alta efficienza consentirà la realizzazione della prossima generazione di display indossabili e deformabili", ha affermato Teng Zhang, coautore dello studio e ex ricercatore postdottorale nel laboratorio di Gogotsi. Le applicazioni più promettenti riguardano il monitoraggio sanitario in tempo reale e le tecnologie di comunicazione indossabile, dove la capacità di visualizzare informazioni direttamente sulla pelle potrebbe rivoluzionare l'interazione tra dispositivi elettronici e corpo umano.
