Ett team av polymerkemister och ingenjörer från Carnegie Mellon University har utvecklat en ny metodik som kan användas för att skapa en klass av töjbara polymerkompositer med förbättrade elektriska och termiska egenskaper. Dessa material är lovande kandidater för användning i mjuk robotik, självläkande elektronik och medicinsk utrustning. Resultaten publiceras i numret 20 maj av Naturens nanoteknik .

I studien, forskarna kombinerade sin expertis inom grundläggande vetenskap och ingenjörskonst för att ta fram en metod som enhetligt införlivar eutektiskt galliumindium (EGaIn), en metallegering som är flytande vid rumstemperatur, till en elastomer. Detta skapade ett nytt material - ett mycket töjbart, mjuk, multifunktionell komposit som har en hög nivå av termisk stabilitet och elektrisk ledningsförmåga.

Carmel Majidi, en professor i maskinteknik vid Carnegie Mellon och chef för Soft Machines Lab, har bedrivit omfattande forskning för att utveckla nya, mjuka material som kan användas för biomedicinska och andra tillämpningar. Som en del av denna forskning, han utvecklade gummikompositer ympade med nanoskopiska droppar av flytande metall. Materialen verkade vara lovande, men den mekaniska blandningstekniken han använde för att kombinera komponenterna gav material med inkonsekventa sammansättningar, och som resultat, inkonsekventa egenskaper.

För att övervinna detta problem, Majidi vände sig till Carnegie Mellon polymerkemist och J.C. Warner University professor i naturvetenskap Krzysztof Matyjaszewski, som utvecklade atomöverföringsradikalpolymerisation (ATRP) 1994. ATRP, den första och mest robusta metoden för kontrollerad polymerisation, gör det möjligt för forskare att sätta ihop monomerer på ett sätt bit för bit, vilket resulterar i mycket skräddarsydda polymerer med specifika egenskaper.

"Nya material är bara effektiva om de är pålitliga. Du måste veta att ditt material kommer att fungera på samma sätt varje gång innan du kan göra det till en kommersiell produkt, ", sa Matyjaszewski. "ATRP har visat sig vara ett kraftfullt verktyg för att skapa nya material som har konsekventa, pålitliga strukturer och unika egenskaper."

Majidi, Matyjaszewski och professor i materialvetenskap och teknik Michael R. Bockstaller använde ATRP för att fästa monomerborstar på ytan av EGaIn nanodroppar. Borstarna kunde länka ihop, bildar starka bindningar till dropparna. Som ett resultat, den flytande metallen jämnt fördelad genom elastomeren, vilket resulterar i ett material med hög elasticitet och hög värmeledningsförmåga.

Matyjaszewski noterade också att efter polymerympning, kristallisationstemperaturen för eGaIn undertrycktes från 15 C till -80 C, att förlänga droppens flytande fas ¬— och därmed dess vätskeegenskaper—ned till mycket låga temperaturer.

"Vi kan nu suspendera flytande metall i praktiskt taget vilken polymer eller sampolymer som helst för att skräddarsy deras materialegenskaper och förbättra deras prestanda, ", sa Majidi. "Detta har inte gjorts tidigare. Det öppnar dörren till framtida materialupptäckt."

Forskarna föreställer sig att denna process skulle kunna användas för att kombinera olika polymerer med flytande metall, och genom att kontrollera koncentrationen av flytande metall, de kan kontrollera egenskaperna hos materialen de skapar. Antalet möjliga kombinationer är stort, men forskarna tror att med hjälp av artificiell intelligens, deras tillvägagångssätt skulle kunna användas för att designa "beställ-till-beställning" elastomerkompositer som har skräddarsydda egenskaper. Resultatet blir en ny klass av material som kan användas i en mängd olika applikationer, inklusive mjuk robotik, konstgjord hud och biokompatibla medicintekniska produkter.