Учёные изобрели новый причудливый материал, который становится твёрже, если по нему удариться

The newly developed material.

Носимые электронные устройства и датчики однажды могут быть изготовлены из материала, который становится более жестким при ударе или растяжении, благодаря новому исследованию, проведенному командой из Калифорнийского университета в Мерседе.

Это «Адаптивная долговечность», как известно, является важной характеристикой с точки зрения материаловедения. Это означает защиту от повреждений и устойчивость к стрессам даже в суровых условиях.

Новый материал был вдохновлен кукурузным крахмалом, используемым в кулинарии, который можно размешивать при добавлении воды. В отличие от влажного песка, который имеет постоянную вязкость независимо от того, смешан ли он или утрамбован, суспензия кукурузного крахмала действует как жидкость при осторожном перемешивании и как твердое вещество при быстром ударении.

Когда вы медленно раздавливаете кукурузный крахмал, крошечные частицы отталкивают друг друга, заставляя их действовать как жидкость. Но если вы быстро ударитесь о поверхность, они соприкоснутся, вызывая трение и действуя как твердое тело. Такая разница в поведении обусловлена размером частиц.

Исследователи хотели посмотреть, смогут ли они получить такие же результаты с полимерным материалом.

Для достижения Для этого команда начала с сопряженных полимеров: полимеров с особыми свойствами, которые помогают материалам проводить электричество, оставаясь при этом относительно мягкими и эластичными. Эти материалы могут быть изготовлены из самых разных комбинаций молекул.

В данном случае они включали длинные молекулы поли(2-акриламидо-2- метилпропансульфокислота), короткие молекулы полианилина и высокоэффективный проводник – поли(3,4-этилендиокситиофен)полистиролсульфонат (PEDOT:PSS). Не волнуйтесь, если эти имена вам незнакомы — все, что вам действительно нужно знать, это то, что эта комбинация создала пленку, которая деформировалась или растягивалась при быстрых ударах.

Чем быстрее удары, тем быстрее удары. тем жестче становился материал. Добавление на 10 процентов больше PEDOT:PSS позволило улучшить как адаптивную долговечность, так и проводимость материала.

Согласно данным исследователи, их выбор двух положительно заряженных и двух отрицательно заряженных полимеров создает материал со сверхмалыми структурами, похожими на миниатюрные фрикадельки в запутанной миске спагетти. Эти «фрикадельки» поглощают удары, не распадаясь полностью, сохраняя материал и его проводимость на месте.

Дальнейшие эксперименты предполагают добавление положительно заряженных наночастиц 1,3-пропандиамина. еще больше улучшите прочность, слегка ослабив «фрикадельки» (чтобы материал мог выдерживать более сильные удары), одновременно укрепив «ниточки спагетти» вокруг них (сохраняя целостность материала).

Все это вполне сложный и технический, но материал должен найти применение за пределами лаборатории, если его можно производить в больших масштабах. Ремешки умных часов, носимые датчики и мониторы состояния здоровья (например, сердечно-сосудистой системы или уровня глюкозы) — все это примеры, предложенные исследовательской группой.

Персонализированные электронные протезы — еще один потенциальный вариант использования, и исследователи уже экспериментировал. Со временем из этого универсального материала можно будет печатать на 3D-принтере искусственные конечности.

Это еще одно напоминание о возможности открытия новых материалов и усовершенствования существующих материалов, а также о том, как они могут изменить наше будущее – от устройств мы используем для одежды, которую носим.

«Существует ряд потенциальных применений, и мы рады видеть, куда нас приведет это новое, нетрадиционное свойство», — говорит ученый-материаловед Юэ Ван.

Исследование было представлено на собрании Американского химического общества весной 2024 года.