Air Force Research Laboratory har utvecklat flytande metallsystem som autonomt ändrar struktur så att de blir bättre ledare som svar på belastning.

Ledande material ändrar sina egenskaper när de spänns eller sträcks. Vanligtvis, den elektriska ledningsförmågan minskar och motståndet ökar med sträckning.

Materialet som nyligen utvecklats av AFRL-forskare, kallas Polymerized Liquid Metal Networks, gör precis tvärtom. Dessa flytande metallnätverk kan belastas upp till 700 %, svara autonomt på den påfrestningen för att hålla motståndet mellan dessa två stater praktiskt taget detsamma, och fortfarande återgå till sitt ursprungliga tillstånd. Allt beror på den självorganiserade nanostrukturen i materialet som utför dessa svar automatiskt.

"Det här svaret på stretching är raka motsatsen till vad du kan förvänta dig, " sa Dr Christopher Tabor, AFRL ledande forskare i projektet. "Typiskt sett kommer ett material att öka i motstånd när det sträcks helt enkelt för att strömmen måste passera genom mer material. Att experimentera med dessa flytande metallsystem och se det motsatta svaret var helt oväntat och ärligt talat otroligt tills vi förstod vad som pågick."

Trådar som bibehåller sina egenskaper under dessa olika typer av mekaniska förhållanden har många tillämpningar, som nästa generations bärbar elektronik. Till exempel, materialet skulle kunna integreras i ett långärmat plagg och användas för att överföra kraft genom tröjan och över kroppen på ett sätt som att böja en armbåge eller rotera en axel inte kommer att förändra den överförda kraften.

AFRL-forskare utvärderade också materialets värmeegenskaper i en formfaktor som liknar en uppvärmd handske. De mätte termisk respons med ihållande fingerrörelser och bibehöll en nästan konstant temperatur med en konstant pålagd spänning, till skillnad från nuvarande toppmoderna töjbara värmare som förlorar avsevärd termisk kraftgenerering när de blir ansträngda på grund av resistansförändringar. Dessa egenskaper och materialtillverkningsdetaljerna jämförs direkt i det aktuella numret av Avancerade material .

Detta projekt startade under det senaste året och utvecklades i AFRL med forskningsdollar från Air Force Office of Scientific Research. Det undersöks för närvarande för vidareutveckling i samarbete med både privata företag och universitet. Att arbeta med företag om kooperativ forskning är fördelaktigt eftersom de tar tidiga system som fungerar bra i labbet och optimerar dem för potentiell uppskalning. I detta fall, de kommer att möjliggöra integrering av dessa material i textilier som kan tjäna till att övervaka och förbättra mänsklig prestation.

Forskarna börjar med enskilda partiklar av flytande metall inneslutna i ett skal, som liknar vattenballonger. Varje partikel binds sedan kemiskt till nästa genom en polymerisationsprocess, liknande att lägga till länkar i en kedja; på så sätt är alla partiklar anslutna till varandra.

När de anslutna flytande metallpartiklarna spänns, partiklarna rivs upp och flytande metall rinner ut. Anslutningar bildas för att ge systemet både ledningsförmåga och inneboende töjbarhet. Under varje sträckningscykel efter den första, konduktiviteten ökar och återgår till det normala. Till råga på det, det finns ingen upptäckt av trötthet efter 10, 000 cykler.

"Upptäckten av Polymerized Liquid Metal Networks är idealisk för töjbar kraftleverans, avkänning och kretsar, sade kapten Carl Thrasher, forskningskemist inom Materials and Manufacturing Directorate vid AFRL och huvudförfattare på Journal Article. "Mänskliga gränssnittssystem kommer att kunna fungera kontinuerligt, väger mindre, och leverera mer kraft med den här tekniken."

"Vi tycker att det här är riktigt spännande för en mängd applikationer, ", tillade han. "Detta är något som inte är tillgängligt på marknaden idag så vi är verkligen glada över att presentera detta för världen och sprida ordet."