Elektrycznie przewodzący, samoleczący się materiał

Grupa naukowców z University of Texas w Austin w USA, pod kierownictwem Yu Guihua, stworzyła elastyczny obwód elektryczny oparty na specjalnym żelu, który po podzieleniu na dwie części jest całkowicie samoleczący i przywraca pierwotną przewodność elektryczną.

Nowy żel ma kombinację właściwości, które nie były wcześniej spotykane razem, to elastyczność, wysoką przewodność elektryczną i zdolność do samodzielnej naprawy w temperaturze pokojowej. To rozwiązanie otwiera szeroki zakres możliwych zastosowań: elastyczną elektronikę, robotykę, baterie elektryczne, a nawet miękką sztuczną skórę i protezy biomimetyczne.

Właściwość nowego żelu zapewniają dwa podobne do żelu składniki substancji: żel supramolekularny (lub „supergel”) oraz matryca przewodzącego hydrożelu polimerowego, do którego wprowadza się żel supramolekularny. Tak więc cechy fizyczne i chemiczne każdego składnika są połączone.

Wprowadzony supergel daje możliwość samoleczenia dzięki supramolekularnej strukturze chemicznej, której osobliwością jest to, że składowymi elementami tej struktury nie są pojedyncze cząsteczki, ale duże związki molekularne.

Te duże podstruktury są utrzymywane razem przez siły znacznie mniejsze niż pojedyncze cząsteczki, więc ich interakcje, takie jak rozdział, są łatwo odwracalne. Okazuje się, że „klej dynamiczny” jest zdolny do ponownego połączenia podczas separacji.

Tymczasem przewodzący hydrożel, ze względu na swoją trójwymiarową strukturę, zapewnia przewodnictwo. Trójwymiarowa struktura ułatwia transport elektronów. Ponadto hydrożel, podobnie jak kręgosłup, zwiększa wytrzymałość i elastyczność żelu kompozytowego. Gdy supergel jest wprowadzany do matrycy hydrożelowej, przepływa wokół hydrożelu w taki sposób, że tworzy drugą sieć, co dodatkowo poprawia integralność żelu hybrydowego.

Naukowcy przeprowadzili eksperymenty na sprawdzaniu właściwości elektrycznych cienkich warstw żelu hybrydowego osadzonego na elastycznych plastikowych podłożach. Badania wykazały, że przewodnictwo nowego żelu jest jednym z najwyższych wśród żeli przewodzących i tak jest ze względu na zdolność samonaprawy żelu nawet po wielokrotnym zginaniu i rozciąganiu.

Naukowcy wykazali, że jeśli obwód elektryczny wykonany z hybrydowego żelu zostanie przecięty, to za chwilę sam się zregeneruje, a przewodność elektryczna będzie taka sama jak przed cięciem. Dzieje się tak nawet po wielokrotnym cięciu w tym samym miejscu.

Według naukowców wynaleziony przez nich żel hybrydowy znajdzie wiele zastosowań, aż do wszczepialnych biosensorów, w których samonaprawiające się elektrody są po prostu niezbędne do zapewnienia trwałości urządzenia. Żel można łatwo wykorzystać do wzmocnienia elektrod. baterie litowo-jonowe wysoka pojemność.

Twórcy nowego żelu przewodzącego są przekonani, że ich podejście do łączenia chemii supramolekularnej z nanonauką polimerową tworzy strategię opracowywania nowych samonaprawiających się materiałów. Planują zbadać podstawowe mechanizmy samoleczenia, aby lepiej zrozumieć kluczowe czynniki dotyczące jonów różnych metali, geometrię cząsteczek, interakcje supramolekuł z różnymi rozpuszczalnikami i ich wpływ na cechy samoleczenia. Przyczyni się to do ulepszenia nowo opracowanych materiałów.

Szef grupy, Yu.Guihua, zauważył, że szczególne wysiłki zostaną poświęcone opracowaniu wielkoskalowych strategii produkcji samoleczących się przewodzących żeli o lepszych właściwościach, takich jak wytrzymałość mechaniczna i elastyczność, tak aby stosowanie przewodzących samoleczących się żeli stało się potencjalnie możliwe w wielu różnych obszarach technologicznych, w tym w elektronice, energii, bezpieczeństwie środowisko i zdrowie.