Результаты, опубликованные сегодня в журнале Advanced Material, представляют собой первый случай, когда ученые создали ионный проводник, то есть материалы, через которые могут проходить ионы, прозрачные, механически растягиваемые и самовосстанавливающиеся.Материал имеет потенциальное применение в широком диапазоне областей. Это могло дать роботам способность к самовосстановлению после механической поломки; продлить срок службы литий-ионных аккумуляторов, используемых в электронике и электромобилях; и улучшить биосенсоры, используемые в области медицины и мониторинга окружающей среды.«Создание материала со всеми этими свойствами было загадкой в течение многих лет», — сказал Чао Ван, адъюнкт-профессор химии, который является одним из авторов статьи. «Мы сделали это и сейчас только начинаем изучать приложения».
Этот проект объединяет области исследования самовосстанавливающихся материалов и ионных проводников.Вдохновленные природой заживления ран, самовосстанавливающиеся материалы восстанавливают повреждения, вызванные износом, и продлевают срок службы, а также снижают стоимость материалов и устройств.
Ван проявил интерес к самовосстанавливающимся материалам из-за его давней любви к Росомахе, персонажу комиксов, который обладает способностью к самоисцелению.Ионные проводники — это класс материалов, играющих ключевую роль в хранении энергии, преобразовании солнечной энергии, датчиках и электронных устройствах.Другой автор статьи, Кристоф Кеплингер, доцент Университета Колорадо в Боулдере, ранее продемонстрировал, что растягиваемые прозрачные ионные проводники могут использоваться для питания искусственных мышц и создания прозрачных громкоговорителей — устройств, которые имеют несколько основных функций. свойства нового материала (прозрачность, высокая растяжимость и ионная проводимость) — но ни одно из этих устройств дополнительно не имело способности к самовосстановлению от механических повреждений.
Ключевой трудностью является идентификация связей, которые являются стабильными и обратимыми в электрохимических условиях. Обычно в самовосстанавливающихся полимерах используются нековалентные связи, что создает проблему, поскольку на эти связи влияют электрохимические реакции, которые ухудшают характеристики материалов.Ван помог решить эту проблему, используя механизм, называемый ионно-дипольными взаимодействиями, которые представляют собой силы между заряженными ионами и полярными молекулами, которые очень стабильны в электрохимических условиях.
Он объединил полярный растяжимый полимер с подвижной солью с высокой ионной силой, чтобы создать материал со свойствами, которые искали исследователи.Недорогой, легкий в изготовлении мягкий резиноподобный материал может растягиваться в 50 раз от своей первоначальной длины.
После пореза он может полностью прикрепиться или зажить в течение 24 часов при комнатной температуре. Фактически, всего за пять минут заживления материал можно растянуть в два раза по сравнению с исходной длиной.Тимоти Моррисси и Эрик Аком, два аспиранта, работающие с Кеплингером, продемонстрировали, что этот материал можно использовать для питания так называемой искусственной мышцы, также называемой исполнительным механизмом из диэлектрического эластомера.
Искусственная мышца — это общий термин, используемый для материалов или устройств, которые могут обратимо сокращаться, расширяться или вращаться из-за внешнего стимула, такого как напряжение, ток, давление или температура.Привод из диэлектрического эластомера на самом деле представляет собой три отдельных куска полимера, сложенных вместе. Верхний и нижний слои — это новый материал, разработанный в UC Riverside, который способен проводить электричество и самовосстанавливаться, а средний слой представляет собой прозрачную непроводящую резиновую мембрану.Исследователи использовали электрические сигналы, чтобы заставить искусственную мышцу двигаться.
Таким образом, точно так же, как человеческая мышца (например, двуглавая мышца) движется, когда мозг посылает сигнал руке, искусственная мышца также реагирует на получение сигнала. Что наиболее важно, исследователи смогли продемонстрировать, что способность нового материала к самовосстановлению может быть использована для имитации выдающейся природной особенности выживания: заживления ран.
После того, как части искусственной мышцы были разрезаны на два отдельных куска, материал зажил, не полагаясь на внешние раздражители, и искусственная мышца вернулась к тому же уровню работоспособности, что и до разреза.Видео: https://www.youtube.com/watch?v=V4qCxOB3EVI