Mycket flexibla och ledande ledningar spelar en avgörande roll vid integration och tillämpning av bärbara enheter. Den frekventa påfrestningen och deformationen i praktisk användning är emellertid benägna att orsaka strukturella skador på dessa trådar, vilket leder till fel på hela modulen. Självläkande ledningar kan återställa de mekaniska och elektriska egenskaperna när de stöter på strukturskador, vilket erbjuder en lovande lösning på detta problem.
De praktiska tillämpningarna av självläkbara ledningar hindras dock av det kraftigt fluktuerande elektriska motståndet under dynamiska förhållanden som böjning, pressning, sträckning och skakningar, vilket avsevärt minskar den kontinuerliga övervakningsnoggrannheten för de sammankopplade bärbara enheterna.
För att övervinna dessa flaskhalsar har ett forskarlag under ledning av prof. Hao Sun från Shanghai Jiao Tong University utvecklat en ny familj av dynamiskt stabila självläkbara ledningar baserade på mekanisk-elektrisk koppling, som inspirerades av vätebindningarna och van der Waals krafter. interaktion mellan axonkärna och myelinskal i myeliniserat axon. Teamet använde supramolekylär kemi för att förbättra draghållfastheten (35–73 MPa) hos de självläkbara trådarna, som visade god matchning med vanliga textilfibrer (28–74 MPa).
Ännu viktigare, den mekaniska-elektriska kopplingseffekten baserad på väte och koordinationsbindningar mellan de strukturella (självläkbara polymererna) och ledande (GaInSn flytande metall) komponenterna hade signifikant förbättrat den elektriska stabiliteten hos de självläkbara ledningarna under olika dynamiska miljöer. Till exempel var resistansförändringen för dessa självläkbara trådar mindre än 0,7 ohm vid en hög töjning på 500 %, och det elektriska motståndet ökades med mindre än 5 % under olika dynamiska förhållanden såsom böjning, pressning, knutning och tvättning .
Dessa kablar visar lovande för bärbara applikationer på grund av deras utmärkta mekaniska, elektriska och dynamiska egenskaper. Till exempel skulle en integrerad hälsovårdsplattform kunna tillverkas bestående av temperatur, puls och K + sensorer, mikrokontrollerenhet, Bluetooth-modul och litiumjonbatteri, som var sammankopplade med dessa självläkbara ledningar, som visade försumbara elektriska motståndsfluktuationer på 3–4 % under slag, pressning och sträckning, även efter brott och läkning.
Dessutom tillät det stabil och noggrann övervakning av mänskliga aktiviteter, även under scenariot med darrningar i extremiteterna orsakade av simulerad Parkinsons sjukdom. Dessa resultat visade vikten av hög dynamisk stabilitet hos självläkbara ledningar som säkerställde tillförlitlig drift av de sammankopplade bärbara enheterna.
"Vi behöver självläkbara ledningar som kan bibehålla sitt elektriska motstånd under dynamiska förhållanden, vilket är nyckeln till att säkerställa precisionen och tillförlitligheten hos de sammankopplade bärbara enheterna i praktiska tillämpningar. I våra försök att uppnå detta mål märker vi att nervsystemet kan överför på ett tillförlitligt sätt neurala aktionspotentialer även under allvarliga deformationer, vilket inspirerar oss att föreslå den "mekanisk-elektriska kopplingen"-mekanismen, med fokus på förbättring av gränssnittsinteraktion.
"Vi förnyar därför självläkbara polymermaterial via supramolekylär kemi för att inducera stark interaktion med GaInSn flytande metall, och på så sätt uppnå dynamiskt stabila självläkbara trådar som gynnar praktiska bärbara scenarier," sa Prof. Hao Sun.
"I ett bredare perspektiv kan vår "mekanisk-elektriska koppling" bli en allmän strategi för att förbättra den dynamiska stabiliteten hos olika flexibla material och enheter, och gynna en mängd olika applikationer som bärbar hälsovård, intelligent robotik och implanterbar elektronik."
Mer information: Shuo Wang et al, En dynamiskt stabil självläkbar tråd baserad på mekanisk-elektrisk koppling, National Science Review (2024). DOI:10.1093/nsr/nwae006
Tillhandahålls av Science China Press
