Исследователи полны решимости производить растяжимые биомедицинские устройства, которые напрямую взаимодействуют с такими органами, как кожа, сердце и мозг. Однако электронные устройства обычно изготавливаются из твердых материалов, несовместимых с мягкими тканями. Чун Чан Фу из Института высокопроизводительных вычислений A * STAR, Сингапур, и исследователи из Гарвардского университета, США, стремятся решить эту дилемму с помощью мягких прозрачных гелей, которые могут выступать в качестве неотъемлемых компонентов растягиваемых устройств благодаря инновационный механизм ионной проводимости.
Фу и его коллеги сделали свое открытие, исследуя многообещающую технологию «искусственных мышц», известную как диэлектрические эластомеры. Эти устройства помещают изолирующий каучуковый полимер между двумя проводящими электродами, обычно сделанными из металлов с микротрещинами или углеродной смазки.
Подача напряжения на электроды создает давление, которое вызывает расширение внутреннего полимера. Однако большинство электродных материалов начинают терять проводимость при воздействии высоких деформаций.
Исследователи решили заменить электроды в диэлектрических эластомерах мягкими гидрогелями.
Гидрогели — это прозрачные и биосовместимые материалы, обычно используемые в контактных линзах, которые инкапсулируют солевые ионы и воду внутри полимерной оболочки. Замена электродов требует преодоления двух хорошо известных ограничений ионных проводников: их низкая скорость относительно электронных проводников и склонность к разрушительным электрохимическим реакциям при высоких напряжениях.
Установка команды решает эти проблемы, помещая тонкий изолирующий резиновый лист между двумя слоями гидрогеля. Электрические сигналы, посылаемые в гидрогель через крошечные электроды, приводят к быстрому накоплению противоположно заряженных ионов на каждой стороне резинового листа, в результате чего устройство в виде сэндвичей истончается и расширяется по всей площади. Кроме того, резиновый слой имеет чрезвычайно низкую емкость, что вызывает большое падение напряжения на резине и защищает гидрогель от электрохимических реакций даже в киловольтных диапазонах.
Чтобы продемонстрировать высокочастотную работу своего растяжимого ионного материала, исследователи создали первый в мире прозрачный громкоговоритель на гелевой основе (см. Изображение). Это устройство, которое можно разместить над экраном смартфона или телевизора с плоским экраном, резонирует тысячи раз в секунду во всем слышимом диапазоне.
Фу, теоретический вклад которого оказался критически важным для понимания нового поведения этих эластичных гелей, считает, что эта работа может привести к фундаментальному сдвигу в том, как инженеры создают электронные устройства. «Поскольку существующие проводники с трудом соответствуют требованиям растягиваемых приложений, разработчики устройств могут начать спрашивать, могут ли они заменить электронные проводники ионными», — объясняет он.
"Устройство может потерять некоторые характеристики, но может получить другие характеристики, такие как растяжимость, прозрачность и биосовместимость."
Исследователь, аффилированный с A * STAR, участвовал в этом исследовании из Института высокопроизводительных вычислений.