Wetenschap
Als je dit rekbare, elektronische materiaal raakt, wordt het nog steviger
Er gebeuren elke dag ongelukken, en als je je smartwatch laat vallen of als hij heel hard wordt geraakt, werkt het apparaat waarschijnlijk niet meer. Maar nu rapporteren onderzoekers over een zacht, flexibel materiaal met ‘adaptieve duurzaamheid’, wat betekent dat het sterker wordt als het wordt geraakt of uitgerekt. Het materiaal geleidt ook elektriciteit, waardoor het ideaal is voor de volgende generatie wearables of gepersonaliseerde medische sensoren.
De onderzoekers presenteren hun resultaten vandaag op de voorjaarsbijeenkomst van de American Chemical Society (ACS).
De inspiratie voor het nieuwe materiaal kwam van een mengsel dat veel wordt gebruikt bij het koken:een maïszetmeelslurry.
"Als ik maïszetmeel en water langzaam roer, beweegt de lepel gemakkelijk", legt Yue (Jessica) Wang uit, materiaalwetenschapper en hoofdonderzoeker van het project. "Maar als ik de lepel eruit haal en dan in het mengsel steek, gaat de lepel er niet meer in. Het is alsof ik in een hard oppervlak steek." Deze slurry, die stoofschotels en sauzen dikker maakt, heeft een adaptieve duurzaamheid, die varieert van kneedbaar naar sterk, afhankelijk van de uitgeoefende kracht. Het team van Wang wilde deze eigenschap nabootsen in een stevig geleidend materiaal.
Veel materialen, zoals metalen, die elektriciteit geleiden, zijn hard, stijf of bros. Maar onderzoekers hebben manieren ontwikkeld om zachte en buigbare versies te maken met behulp van geconjugeerde polymeren:lange, spaghetti-achtige moleculen die geleidend zijn. Toch vallen de meeste flexibele polymeren uiteen als ze herhaalde, snelle of grote schokken ondergaan. Het team van Wang aan de Universiteit van Californië, Merced, ging daarom op zoek naar de juiste combinatie van geconjugeerde polymeren om een duurzaam materiaal te creëren dat het adaptieve gedrag van maïszetmeeldeeltjes in water zou nabootsen.
Aanvankelijk maakten de onderzoekers een waterige oplossing van vier polymeren:lange, spaghetti-achtige poly(2-acrylamido-2-methylpropaansulfonzuur), kortere polyanilinemoleculen en een sterk geleidende combinatie bekend als poly(3,4-ethyleendioxythiofeen) polystyreensulfonaat ( PEDOT:PSS). Nadat het team een dunne laag van het mengsel had uitgesmeerd en dit tot een film had gedroogd, testte het team de mechanische eigenschappen van het rekbare materiaal.
Ze ontdekten dat het, in plaats van los te breken bij zeer snelle schokken, vervormde of uitrekte. Hoe sneller de impact, hoe rekbaarder en taaier de film werd. En verrassend genoeg verbeterde slechts een toevoeging van 10% PEDOT:PSS zowel de geleidbaarheid als de adaptieve duurzaamheid van het materiaal. Wang merkt op dat dit resultaat onverwacht was, omdat PEDOT en PSS op zichzelf niet harder worden bij snelle of hoge impact.
De vier polymeren, twee met positieve lading en twee met negatieve lading, raken in de war als een grote kom spaghetti en gehaktballen, legt Di Wu uit, een postdoctoraal onderzoeker in Wang's laboratorium die het werk tijdens de bijeenkomst presenteert.
"Omdat de positief geladen moleculen niet van water houden, aggregeren ze tot gehaktbalachtige microstructuren", zegt Wu. De hypothese van het team is dat het adaptieve gedrag voortkomt uit het feit dat de gehaktballen de energie van een impact absorberen en afvlakken wanneer ze worden geraakt, maar niet volledig uit elkaar vallen.
Wu wilde echter zien hoe het toevoegen van kleine moleculen een composietmateriaal kon creëren dat nog steviger was als het werd uitgerekt of snel viel. Omdat alle polymeren ladingen hadden, koos het team moleculen met positieve, negatieve of neutrale ladingen om te testen. Vervolgens beoordeelden ze hoe de additieven de interacties van de polymeren veranderden en de adaptieve duurzaamheid van elk materiaal beïnvloedden.
Voorlopige resultaten hebben aangetoond dat de positief geladen nanodeeltjes gemaakt van 1,3-propaandiamine het beste additief waren en de meest adaptieve functionaliteit opleverden. Wu zegt dat dit additief de interacties verzwakte van de polymeren die de 'gehaktballetjes' vormen, waardoor ze gemakkelijker uit elkaar te duwen en te vervormen wanneer ze geraakt worden, en de strak verstrengelde 'spaghettisnaren' versterkte.
"Door de positief geladen moleculen aan ons materiaal toe te voegen, werd het nog sterker bij hogere reksnelheden", zegt Wu.
In de toekomst, zegt Wang, zal het team zich richten op het demonstreren van de toepasbaarheid van hun lichtgewicht geleidende materiaal. Tot de mogelijkheden behoren zachte wearables, zoals geïntegreerde banden en sensoren aan de achterkant van smartwatches, en flexibele elektronica voor gezondheidsmonitoring, zoals cardiovasculaire sensoren of continue glucosemeters.
Daarnaast formuleerde het team een eerdere versie van het adaptieve materiaal voor 3D-printen en produceerde het een replica van de hand van een teamlid, waarmee de potentiële integratie in gepersonaliseerde elektronische protheses werd gedemonstreerd. Wang vindt dat de nieuwe composietversie ook compatibel moet zijn met 3D-printen om elke gewenste vorm te kunnen maken.
De adaptieve duurzaamheid van het materiaal betekent dat toekomstige biosensorapparaten flexibel genoeg kunnen zijn voor regelmatige, menselijke bewegingen, maar bestand zijn tegen schade als ze per ongeluk worden gestoten of hard worden geraakt, legt Wang uit. "Er zijn een aantal potentiële toepassingen en we zijn benieuwd waar dit nieuwe, onconventionele pand ons naartoe zal brengen."