Olyckor händer varje dag, och om du tappar din smartklocka, eller om den drabbas riktigt hårt, kommer enheten förmodligen inte att fungera längre. Men nu rapporterar forskare om ett mjukt, flexibelt material med "adaptiv hållbarhet", vilket betyder att det blir starkare när det slås eller sträcks. Materialet leder också elektricitet, vilket gör det idealiskt för nästa generations bärbara eller personliga medicinska sensorer.
Forskarna kommer att presentera sina resultat idag vid American Chemical Societys (ACS) vårmöte.
Inspirationen till det nya materialet kom från en blandning som vanligtvis används i matlagning – en majsstärkelseuppslamning.
"När jag rör om majsstärkelse och vatten långsamt, rör sig skeden lätt", förklarar Yue (Jessica) Wang, en materialvetare och projektets huvudutredare. "Men om jag lyfter ut skeden och sedan sticker blandningen så går inte skeden in igen. Det är som att sticka en hård yta." Denna uppslamning, som hjälper till att tjockna grytor och såser, har adaptiv hållbarhet och växlar från formbar till stark, beroende på kraften som appliceras. Wangs team bestämde sig för att efterlikna denna egenskap i ett fast ledande material.
Många material, som metaller, som leder elektricitet är hårda, styva eller spröda. Men forskare har utvecklat sätt att göra mjuka och böjbara versioner med hjälp av konjugerade polymerer - långa, spagettiliknande molekyler som är ledande. Ändå går de flesta flexibla polymerer sönder om de utsätts för upprepade, snabba eller stora stötar. Så Wangs team vid University of California, Merced, bestämde sig för att välja rätt kombination av konjugerade polymerer för att skapa ett hållbart material som skulle efterlikna det adaptiva beteendet hos majsstärkelsepartiklar i vatten.
Inledningsvis gjorde forskarna en vattenlösning av fyra polymerer:lång, spagettiliknande poly(2-akrylamido-2-metylpropansulfonsyra), kortare polyanilinmolekyler och en mycket ledande kombination känd som poly(3,4-etylendioxitiofen) polystyrensulfonat ( PEDOT:PSS). Efter att ha spridit ut ett tunt lager av blandningen och torkat den till en film testade teamet det stretchiga materialets mekaniska egenskaper.
De fann att snarare än att bryta isär från mycket snabba stötar, deformerades eller sträckte sig ut. Ju snabbare slag, desto mer stretchig och seg blev filmen. Och överraskande nog förbättrade bara 10 % tillsats av PEDOT:PSS både materialets ledningsförmåga och adaptiva hållbarhet. Wang noterar att det här resultatet var oväntat eftersom PEDOT och PSS var för sig själva inte blir tuffare med snabba eller höga effekter.
De fyra polymererna, två med positiv laddning och två med negativ laddning, trasslar ihop sig som en stor skål med spagetti och köttbullar, förklarar Di Wu, en postdoktor i Wangs labb som presenterar arbetet på mötet.
"Eftersom de positivt laddade molekylerna inte gillar vatten, aggregerar de till köttbulleliknande mikrostrukturer", säger Wu. Teamets hypotes är att det adaptiva beteendet kommer från att köttbullarna absorberar energin från ett slag och plattas till när de träffas, men inte splittras helt.
Wu ville dock se hur att lägga till små molekyler kunde skapa ett kompositmaterial som var ännu tuffare när det sträcks ut eller tappas snabbt. Eftersom alla polymerer hade laddningar valde teamet molekyler med positiva, negativa eller neutrala laddningar att testa. Sedan utvärderade de hur tillsatserna modifierade polymerernas interaktioner och påverkade varje materials adaptiva hållbarhet.
Preliminära resultat har visat att de positivt laddade nanopartiklarna gjorda av 1,3-propandiamin var den bästa tillsatsen, vilket gav den mest adaptiva funktionaliteten. Wu säger att denna tillsats försvagade växelverkan mellan polymererna som bildar "köttbullarna", vilket gjorde dem lättare att trycka isär och deformeras när de träffades, och stärkte de hårt intrasslade "spagettisträngarna."
"Att lägga till de positivt laddade molekylerna till vårt material gjorde det ännu starkare vid högre sträckhastigheter", säger Wu.
I framtiden, säger Wang, kommer teamet att övergå till att demonstrera användbarheten av deras lätta ledande material. Möjligheterna inkluderar mjuka bärbara artiklar, såsom integrerade band och sensorer på baksidan för smartklockor, och flexibel elektronik för hälsoövervakning, såsom kardiovaskulära sensorer eller kontinuerliga glukosmätare.
Dessutom formulerade teamet en tidigare version av det adaptiva materialet för 3D-utskrift och producerade en kopia av en teammedlems hand, som visar den potentiella inkorporeringen i personlig elektronisk protetik. Wang tycker att den nya kompositversionen också bör vara kompatibel med 3D-utskrift för att göra vilken form som helst.
Materialets adaptiva hållbarhet innebär att framtida biosensorenheter kan vara tillräckligt flexibla för regelbunden mänsklig rörelse men motstå skador om de av misstag stöts eller träffas hårt, förklarar Wang. "Det finns ett antal potentiella applikationer, och vi är spännande att se vart denna nya, okonventionella fastighet tar oss."
Tillhandahålls av American Chemical Society
