Ежедневно возникают несчастные случаи, и при падении или сильном ударе умные часы могут выйти из строя. Но сейчас исследователи сообщают о разработке мягкого, гибкого материала с "адаптивной долговечностью", что означает его увеличение прочности при ударе или растяжении. Этот материал также проводит электричество, что делает его идеальным для следующего поколения носимых устройств или персонализированных медицинских датчиков.

Свои результаты исследователи представили на весенней конференции Американского химического общества (ACS). ACS Spring 2024 — это гибридное мероприятие, которое состоится как виртуально, так и офлайн с 17 по 21 марта; оно включает более 12 000 презентаций по различным научным темам. Вдохновлением для создания нового материала послужила смесь, используемая в кулинарии — суспензия кукурузного крахмала.

Многие проводящие материалы, например металлы, обычно являются твердыми, жесткими или хрупкими. Но исследователи нашли способы создания мягких и гибких версий с использованием сопряженных полимеров — длинных молекул, похожих на спагетти. Тем не менее, большинство гибких полимеров разрушаются при повторных, быстрых или сильных ударах. Поэтому команда Ванга из Калифорнийского университета в Мерседе решила найти правильную комбинацию сопряженных полимеров для создания прочного материала, который бы имитировал адаптивное поведение частиц кукурузного крахмала в воде.

Сначала исследователи приготовили водный раствор четырех полимеров: длинной молекулы поли(2-акриламидо-2-метилпропансульфоновой кислоты), более коротких молекул полианилина и высокопроводящей комбинации, известной как поли(3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфонат. Нанеся тонкий слой смеси и высушив его, чтобы получилась пленка, команда проверила механические свойства этого эластичного материала.

Они обнаружили, что вместо разрушения от сильных ударов материал деформировался или растягивался. Чем быстрее удар, тем больше его жесткость. И что интересно, добавление всего лишь 10% поли(3,4-этилендиокситиофен) полистиролсульфоната не только улучшило проводимость материала, но и адаптивную долговечность. Ван отмечает, что этот результат был неожиданным, поскольку сами по себе эти компоненты не усиливаются при быстрых или сильных ударам.

Четыре полимера, два с положительным зарядом и два с отрицательным зарядом, переплетаются, создавая структуру, аналогичную миске спагетти с фрикадельками, объясняет Ди Ву, научный сотрудник лаборатории Вана. "Поскольку положительно заряженные молекулы не любят воду, они образуют микроструктуры, похожие на фрикадельки", — говорит Ву. Команда полагает, что адаптивное поведение происходит из-за того, что фрикадельки поглощают энергию удара и сплющиваются, но не распадаются полностью.

Впрочем, Ву интересовало, как добавление небольших молекул может улучшить композитный материал для увеличения его прочности при быстром растяжении или падении. Поскольку все полимеры были заряжены, команда решила проверить молекулы с положительным, отрицательным или нейтральным зарядом. Затем они изучили, как добавки влияют на взаимодействие полимеров и адаптивную долговечность каждого материала.

Предварительные результаты показали, что положительно заряженные наночастицы из 1,3-пропандиамина оказались наилучшей добавкой для обеспечения адаптивного функционала. Эта добавка ослабила взаимодействие полимеров, облегчив их разделение и деформацию при ударе, а также укрепила переплетенные молекулы. "Добавление положительно заряженных молекул в наш материал сделало его еще прочнее при более высоких скоростях растяжения", — говорит Ву.

В будущем команда Вана планирует продемонстрировать применение своего проводящего материала. Это может включать мягкие носимые устройства, такие как встроенные ремешки и датчики для умных часов, а также гибкую электронику для мониторинга здоровья, например, сердечно-сосудистые датчики или мониторы уровня глюкозы. Кроме того, команда уже разработала предыдущую версию адаптивного материала для 3D-печати и создала копию руки одного из участников команды, продемонстрировав потенциал использования в персонализированных электронных протезах. Ван уверена, что новая версия также будет совместима с 3D-печатью, что позволит создавать из него различные формы.

Адаптивная долговечность материала означает, что будущие биосенсорные устройства могут быть достаточно гибкими, чтобы выдерживать регулярные движения человека, но при этом оставаться устойчивыми к повреждениям от случайных ударов или падений. "У нас есть много потенциальных применений, и мы с нетерпением ждем, к чему приведет это новое и нетрадиционное свойство".