(Phys.org) - Een team van scheikundigen en ingenieurs uit Stanford heeft het eerste synthetische materiaal gemaakt dat zowel gevoelig is voor aanraking als in staat is zichzelf snel en herhaaldelijk te genezen bij kamertemperatuur. De opmars kan leiden tot slimmere protheses of veerkrachtigere persoonlijke elektronica die zichzelf herstelt.

Niemand kent de opmerkelijke eigenschappen van de menselijke huid zoals de onderzoekers die worstelen om het te evenaren. Onze huid is niet alleen gevoelig, de hersenen nauwkeurige informatie sturen over druk en temperatuur, maar het geneest ook efficiënt om een ​​beschermende barrière tegen de wereld te behouden. Het combineren van deze twee eigenschappen in één synthetisch materiaal vormde een spannende uitdaging voor Stanford Chemical Engineering Professor Zhenan Bao en haar team.

Nutsvoorzieningen, ze zijn erin geslaagd het eerste materiaal te maken dat zowel subtiele druk kan voelen als zichzelf kan genezen wanneer het wordt gescheurd of gesneden. Hun bevindingen worden op 11 november gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

In het laatste decennium, er zijn grote vorderingen gemaakt op het gebied van synthetische huid, zei Bao, de hoofdonderzoeker van het onderzoek, maar zelfs de meest effectieve zelfherstellende materialen hadden grote nadelen. Sommige moesten worden blootgesteld aan hoge temperaturen, waardoor ze onpraktisch zijn voor dagelijks gebruik. Anderen kunnen genezen bij kamertemperatuur, maar het repareren van een snee veranderde hun mechanische of chemische structuur, zodat ze zichzelf maar één keer konden genezen. Het belangrijkste is, geen enkel zelfherstellend materiaal was een goede bulkgeleider van elektriciteit, een cruciale eigenschap.

"Om dit soort materiaal te koppelen aan de digitale wereld, idealiter wil je dat ze geleidend zijn, " zei Benjamin Chee-Keong Tee, eerste auteur van het artikel.

Een nieuw recept

De onderzoekers slaagden erin om twee ingrediënten te combineren om te krijgen wat Bao 'het beste van twee werelden' noemt:het zelfherstellende vermogen van een plastic polymeer en de geleidbaarheid van een metaal.

Ze begonnen met een plastic bestaande uit lange ketens van moleculen verbonden door waterstofbruggen - de relatief zwakke aantrekkingskracht tussen het positief geladen gebied van het ene atoom en het negatief geladen gebied van het volgende.

"Deze dynamische bindingen zorgen ervoor dat het materiaal zichzelf geneest, " zei Chao Wang, een co-eerste auteur van het onderzoek. De moleculen breken gemakkelijk uit elkaar, maar als ze dan weer verbinding maken, de bindingen reorganiseren zichzelf en herstellen de structuur van het materiaal nadat het beschadigd is, hij zei. Het resultaat is een buigzaam materiaal, die zelfs bij kamertemperatuur een beetje aanvoelt als zoutwatertaffy die in de koelkast is achtergelaten.

Aan dit veerkrachtige polymeer de onderzoekers voegden kleine deeltjes nikkel toe, waardoor de mechanische sterkte ervan toenam. De nanoschaaloppervlakken van de nikkeldeeltjes zijn ruw, wat belangrijk bleek om het materiaal geleidend te maken. Tee vergeleek deze oppervlaktekenmerken met "mini-machetes, " waarbij elke uitstekende rand een elektrisch veld concentreert en het gemakkelijker maakt voor de stroom om van het ene deeltje naar het andere te stromen.

Het resultaat was een polymeer met ongewone eigenschappen. "De meeste kunststoffen zijn goede isolatoren, maar dit is een uitstekende dirigent, ' zei Bao.

Terug stuiteren

De volgende stap was om te zien hoe goed het materiaal na beschadiging zowel zijn mechanische sterkte als zijn elektrische geleidbaarheid kon herstellen.

De onderzoekers namen een dunne strook van het materiaal en sneden het doormidden met een scalpel. Nadat u de stukken een paar seconden voorzichtig tegen elkaar hebt gedrukt, ze ontdekten dat het materiaal 75 procent van zijn oorspronkelijke sterkte en elektrische geleidbaarheid terugkreeg. Het materiaal was in ongeveer 30 minuten voor bijna 100 procent hersteld. "Zelfs de menselijke huid heeft dagen nodig om te genezen. Dus ik denk dat dit best cool is, ' zei Tee.

Bovendien, hetzelfde monster kan herhaaldelijk op dezelfde plaats worden gesneden. Na 50 sneden en reparaties, een monster weerstond buigen en strekken net als het origineel.

De composietaard van het materiaal zorgde voor een nieuwe technische uitdaging voor het team. Bao en haar co-auteurs ontdekten dat, hoewel nikkel de sleutel was om het materiaal sterk en geleidend te maken, het stond ook het genezingsproces in de weg, voorkomen dat de waterstofbruggen zich zo goed verbinden als zou moeten.

Voor toekomstige generaties van het materiaal, Bao zei dat het team de grootte en vorm van de nanodeeltjes zou kunnen aanpassen, of zelfs de chemische eigenschappen van het polymeer, om deze wisselwerking te omzeilen.

Niettemin, Wang zei dat de omvang van deze zelfgenezende eigenschappen echt verrassend was:"Vóór ons werk, het was heel moeilijk voor te stellen dat dit soort flexibele, geleidend materiaal kan ook zelfherstellend zijn."

Gevoelig bij aanraking

Het team onderzocht ook hoe het materiaal als sensor kan worden gebruikt. Voor de elektronen waaruit een elektrische stroom bestaat, proberen door dit materiaal te gaan is als proberen een stroom over te steken door van steen naar steen te springen. De stenen in deze analogie zijn de nikkeldeeltjes, en de afstand die ze scheidt, bepaalt hoeveel energie een elektron nodig heeft om zich van de ene steen te bevrijden en naar de andere te gaan.

Door te draaien of druk uit te oefenen op de synthetische huid verandert de afstand tussen de nikkeldeeltjes en, daarom, het gemak waarmee elektronen kunnen bewegen. Deze subtiele veranderingen in elektrische weerstand kunnen worden vertaald in informatie over druk en spanning op de huid.

Tee zegt dat het materiaal gevoelig genoeg is om de druk van een handdruk te detecteren. Het zou kunnen, daarom, ideaal zijn voor gebruik in protheses, voegde Bao toe. Het materiaal is niet alleen gevoelig voor neerwaartse druk, maar ook voor buiging, dus een prothetisch ledemaat zou ooit in staat kunnen zijn om de mate van buiging in een gewricht te registreren.

Tee wees op andere commerciële mogelijkheden. Elektrische apparaten en draden die met dit materiaal zijn gecoat, kunnen zichzelf repareren en de elektriciteit weer laten stromen zonder duur en moeilijk onderhoud, vooral op moeilijk bereikbare plaatsen, zoals binnen muren van gebouwen of voertuigen.

Volgende, Bao zei dat het doel van het team is om het materiaal rekbaar en transparant te maken, zodat het geschikt zou kunnen zijn voor het inpakken en overlappen van elektronische apparaten of beeldschermen.