(Phys.org)—Ett team av Stanford-kemister och ingenjörer har skapat det första syntetiska materialet som är både känsligt för beröring och som kan läka sig själv snabbt och upprepade gånger vid rumstemperatur. Framstegen kan leda till smartare proteser eller mer motståndskraftig personlig elektronik som reparerar sig själv.

Ingen känner till de anmärkningsvärda egenskaperna hos mänsklig hud som forskarna som kämpar för att efterlikna den. Inte bara är vår hud känslig, skickar hjärnan exakt information om tryck och temperatur, men det läker också effektivt för att bevara en skyddande barriär mot världen. Att kombinera dessa två funktioner i ett enda syntetiskt material var en spännande utmaning för Stanford Chemical Engineering Professor Zhenan Bao och hennes team.

Nu, de har lyckats göra det första materialet som både kan känna av subtilt tryck och läka sig själv när det slits eller skärs. Deras resultat kommer att publiceras den 11 november i tidskriften Naturens nanoteknik .

Under det senaste årtiondet, det har skett stora framsteg inom syntetisk hud, sa Bao, studiens huvudutredare, men även de mest effektiva självläkande materialen hade stora nackdelar. Vissa fick utsättas för höga temperaturer, vilket gör dem opraktiska för dagligt bruk. Andra kan läka vid rumstemperatur, men att reparera ett snitt förändrade deras mekaniska eller kemiska struktur, så de kunde bara läka sig själva en gång. Viktigast, inget självläkande material var en bra bulkledare av elektricitet, en avgörande egenskap.

"För att koppla den här typen av material till den digitala världen, helst vill du att de ska vara ledande, " sa Benjamin Chee-Keong Tee, tidningens första författare.

Ett nytt recept

Forskarna lyckades genom att kombinera två ingredienser för att få vad Bao kallar "det bästa av två världar" - den självläkande förmågan hos en plastpolymer och ledningsförmågan hos en metall.

De började med en plast bestående av långa kedjor av molekyler sammanfogade av vätebindningar – de relativt svaga attraktionerna mellan det positivt laddade området av en atom och det negativt laddade området i nästa.

"Dessa dynamiska bindningar tillåter materialet att självläka, sa Chao Wang, en av de första författare till forskningen. Molekylerna går lätt isär, men sedan när de återansluter, bindningarna omorganiserar sig själva och återställer materialets struktur efter att det skadats, han sa. Resultatet är ett böjbart material, som även i rumstemperatur känns lite som saltvattenstaffy kvar i kylen.

Till denna elastiska polymer, forskarna lade till små partiklar av nickel, vilket ökade dess mekaniska styrka. Nickelpartiklarnas nanoskaliga ytor är grova, vilket visade sig vara viktigt för att göra materialet ledande. Tee jämförde dessa ytegenskaper med "mini-machetes, " med varje utskjutande kant koncentrerar ett elektriskt fält och gör det lättare för ström att flyta från en partikel till nästa.

Resultatet blev en polymer med ovanliga egenskaper. "De flesta plaster är bra isolatorer, men det här är en utmärkt dirigent, " sa Bao.

Studsa tillbaka

Nästa steg var att se hur väl materialet kunde återställa både sin mekaniska styrka och sin elektriska ledningsförmåga efter skada.

Forskarna tog en tunn remsa av materialet och skar den på mitten med en skalpell. Efter att försiktigt trycka ihop bitarna i några sekunder, de fann att materialet fick tillbaka 75 procent av sin ursprungliga styrka och elektriska ledningsförmåga. Materialet återställdes till nära 100 procent på cirka 30 minuter. "Till och med mänsklig hud tar dagar att läka. Så jag tycker att det här är ganska coolt, sa Tee.

Vad mer, samma prov kan skäras upprepade gånger på samma plats. Efter 50 skärningar och reparationer, ett prov stod emot böjning och sträckning precis som originalet.

Materialets sammansatta karaktär skapade en ny ingenjörsutmaning för teamet. Bao och hennes medförfattare fann att även om nickel var nyckeln till att göra materialet starkt och ledande, det kom också i vägen för läkningsprocessen, förhindrar att vätebindningarna återansluts så bra som de borde.

För framtida generationer av materialet, Bao sa att laget kan justera storleken och formen på nanopartiklarna, eller till och med polymerens kemiska egenskaper, för att komma runt denna avvägning.

Ändå, Wang sa att omfattningen av dessa självläkande egenskaper verkligen var överraskande:"Innan vårt arbete, det var väldigt svårt att föreställa sig att denna typ av flexibel, ledande material kan också vara självläkande."

Känslig för beröring

Teamet utforskade också hur man använder materialet som en sensor. För elektronerna som utgör en elektrisk ström, att försöka passera genom detta material är som att försöka korsa en bäck genom att hoppa från sten till sten. Stenarna i denna analogi är nickelpartiklarna, och avståndet som skiljer dem åt avgör hur mycket energi en elektron behöver för att frigöra sig från en sten och flytta till en annan.

Att vrida eller trycka på den syntetiska huden ändrar avståndet mellan nickelpartiklarna och, därför, den lätthet med vilken elektroner kan röra sig. Dessa subtila förändringar i elektriskt motstånd kan översättas till information om tryck och spänningar på huden.

Tee säger att materialet är tillräckligt känsligt för att upptäcka trycket från ett handslag. Det kan, därför, vara idealisk för användning i proteser, Bao tillade. Materialet är inte bara känsligt för tryck nedåt utan även för böjning, så en protetisk lem kanske någon gång kan registrera graden av böjning i en led.

Tee påpekade andra kommersiella möjligheter. Elektriska apparater och ledningar belagda med detta material skulle kunna reparera sig själva och få elektriciteten att flöda igen utan kostsamt och svårt underhåll, särskilt på svåråtkomliga platser, såsom inuti byggnadsväggar eller fordon.

Nästa, Bao sa att lagets mål är att göra materialet stretchigt och transparent, så att den kan vara lämplig för att linda och lägga över elektroniska enheter eller bildskärmar.