Роняйте на здоровье. Разработан материал для электроники с адаптивной прочностью

Неприятности случаются каждый день, и если вы уроните свои смарт-часы или сильно ударите их, устройство, скорее всего, перестанет работать.

Чтобы вы не утонули в слезах сожаления, исследователи ударно потрудились и теперь сообщают о создании мягкого, гибкого материала с «адаптивной прочностью», то есть он становится прочнее при ударах или растяжении. Материал также проводит электричество, что делает его идеальным для следующего поколения носимых устройств или персонализированных медицинских датчиков.

Исследователи представят свои результаты сегодня на весенней встрече Американского химического общества (ACS). ACS Spring 2024 — это гибридная встреча, которая проходит 17-21 марта в виртуальном и очном формате и включает в себя около 12 000 презентаций на самые разные научные темы.

Вдохновением для создания нового материала послужила смесь, широко используемая в кулинарии, — суспензия кукурузного крахмала.

Когда я медленно размешиваю кукурузный крахмал с водой, ложка движется легко, — объясняет Юэ (Джессика) Ванг, материаловед и главный исследователь проекта.

Но если я вынимаю ложку, а затем протыкаю смесь, ложка не возвращается обратно. Это все равно что ударить ножом по твердой поверхности.

Эта суспензия, которая помогает загустить тушеное мясо и соусы, обладает адаптивной прочностью, переходя от податливости к прочности в зависимости от приложенной силы. Команда Ванга задалась целью имитировать это свойство в твердом проводящем материале.

Многие материалы, такие как металлы, проводящие электричество, являются твердыми, жесткими или хрупкими. Но исследователи разработали способы создания мягких и гнущихся версий с помощью сопряженных полимеров — длинных, похожих на спагетти молекул, которые являются проводящими. Однако большинство гибких полимеров разрушается при многократных, быстрых или сильных ударах. Поэтому команда Ванга из Калифорнийского университета в Мерседе задалась целью подобрать правильную комбинацию сопряженных полимеров для создания прочного материала, который бы имитировал адаптивное поведение частиц кукурузного крахмала в воде.

Сначала исследователи приготовили водный раствор из четырех полимеров: длинных, похожих на спагетти поли (2-акриламидо-2-метилпропансульфокислоты), более коротких молекул полианилина и высокопроводящей комбинации, известной как поли (3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонат (PEDOT:PSS). Нанеся тонкий слой смеси и высушив его до состояния пленки, команда исследовала механические свойства растягивающегося материала.

Они обнаружили, что при очень быстрых ударах пленка не разрушается, а деформируется или растягивается. Чем быстрее был удар, тем более растяжимой и прочной становилась пленка. И что удивительно, всего 10-процентное добавление PEDOT:PSS улучшило как проводимость материала, так и его адаптивную долговечность. Ванг отмечает, что этот результат был неожиданным, поскольку сами по себе PEDOT и PSS не становятся более жесткими при быстрых или сильных ударах.

Четыре полимера, два с положительным зарядом и два с отрицательным, спутались, как большая миска спагетти с фрикадельками, объясняет Ди Ву, постдокторант из лаборатории Ванга, представляющий работу на встрече.

Поскольку положительно заряженные молекулы не любят воду, они объединяются в микроструктуры, похожие на фрикадельки, — говорит Ву.

Согласно гипотезе команды, адаптивное поведение происходит за счет того, что фрикадельки поглощают энергию удара и сплющиваются при ударе, но не распадаются полностью.

Однако Ву хотел проверить, как добавление небольших молекул может создать композитный материал, который будет еще более прочным при растяжении или быстром падении. Поскольку все полимеры имеют заряды, команда выбрала для испытаний молекулы с положительным, отрицательным или нейтральным зарядом. Затем они оценили, как добавки изменяют взаимодействие полимеров и влияют на адаптивную прочность каждого материала.

Предварительные результаты показали, что положительно заряженные наночастицы из 1,3-пропандиамина оказались лучшей добавкой, придающей наибольшую адаптивную функциональность. По словам Ву, эта добавка ослабила взаимодействие полимеров, образующих «фрикадельки», что позволило им легче раздвигаться и деформироваться при ударе, и укрепила плотно спутанные „нити спагетти“.

Добавление положительно заряженных молекул в наш материал сделало его еще более прочным при больших скоростях растяжения, — говорит Ву.

В будущем, говорит Ванг, команда перейдет к демонстрации применимости своего легкого проводящего материала. Среди возможных вариантов — мягкие носимые устройства, например, интегрированные ремешки и датчики на задней стороне смарт-часов, а также гибкая электроника для мониторинга здоровья, например, сердечно-сосудистые датчики или непрерывные мониторы глюкозы. Кроме того, команда разработала предыдущую версию адаптивного материала для 3D-печати и изготовила копию руки одного из членов команды, продемонстрировав возможность его использования в персонализированных электронных протезах. Ванг считает, что новая версия композитного материала также должна быть совместима с 3D-печатью для создания любой желаемой формы.

Адаптивная прочность материала означает, что будущие биосенсорные устройства могут быть достаточно гибкими для обычных человеческих движений, но при этом не повреждаться при случайных ударах или сильных толчках, — заключает Ванг.

Существует множество потенциальных применений, и нам не терпится увидеть, куда приведет нас это новое, нетрадиционное свойство.

Иллюстрация: Yue (Jessica) Wang

20.03.2024