Een team van polymeerchemici en ingenieurs van de Carnegie Mellon University heeft een nieuwe methodologie ontwikkeld die kan worden gebruikt om een ​​klasse rekbare polymeercomposieten te creëren met verbeterde elektrische en thermische eigenschappen. Deze materialen zijn veelbelovende kandidaten voor gebruik in zachte robotica, zelfherstellende elektronica en medische apparaten. De resultaten worden gepubliceerd in het nummer van 20 mei van: Natuur Nanotechnologie .

In de studie, de onderzoekers hebben hun expertise op het gebied van fundamentele wetenschap en techniek gecombineerd om een ​​methode te bedenken waarin eutectisch gallium indium (EGaIn) uniform wordt verwerkt, een metaallegering die vloeibaar is bij omgevingstemperatuur, tot een elastomeer. Hierdoor ontstond een nieuw materiaal:een zeer rekbaar, zacht, multifunctioneel composiet met een hoge thermische stabiliteit en elektrische geleidbaarheid.

Carmel Majidi, een professor Werktuigbouwkunde aan Carnegie Mellon en directeur van het Soft Machines Lab, heeft uitgebreid onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van nieuwe, zachte materialen die kunnen worden gebruikt voor biomedische en andere toepassingen. Als onderdeel van dit onderzoek, hij ontwikkelde rubbercomposieten bezaaid met nanoscopische druppeltjes vloeibaar metaal. De materialen leken veelbelovend, maar de mechanische mengtechniek die hij gebruikte om de componenten te combineren, leverde materialen op met inconsistente composities, en als een resultaat, inconsistente eigenschappen.

Om dit probleem op te lossen, Majidi wendde zich tot de polymeerchemicus Carnegie Mellon en J.C. Warner University Professor of Natural Sciences Krzysztof Matyjaszewski, die in 1994 atoomoverdrachtsradicaalpolymerisatie (ATRP) ontwikkelde. ATRP, de eerste en meest robuuste methode van gecontroleerde polymerisatie, stelt wetenschappers in staat om monomeren stuk voor stuk aan elkaar te rijgen, resulterend in zeer op maat gemaakte polymeren met specifieke eigenschappen.

"Nieuwe materialen zijn alleen effectief als ze betrouwbaar zijn. Je moet weten dat je materiaal elke keer op dezelfde manier zal werken voordat je er een commercieel product van kunt maken, " zei Matyjaszewski. "ATRP heeft bewezen een krachtig hulpmiddel te zijn voor het creëren van nieuwe materialen met consistente, betrouwbare constructies en unieke eigenschappen."

Majidi, Matyjaszewski en materiaalwetenschap en -techniek, professor Michael R. Bockstaller, gebruikten ATRP om monomeerborstels aan het oppervlak van EGaIn-nanodruppeltjes te bevestigen. De borstels konden aan elkaar worden gekoppeld, vormen sterke bindingen met de druppeltjes. Als resultaat, het vloeibare metaal gelijkmatig verdeeld over het elastomeer, resulterend in een materiaal met een hoge elasticiteit en een hoge thermische geleidbaarheid.

Matyjaszewski merkte ook op dat na polymeerenting, de kristallisatietemperatuur van eGaIn werd onderdrukt van 15 C tot -80 C, het verlengen van de vloeibare fase van de druppel ¬— en dus de vloeibare eigenschappen ervan – tot zeer lage temperaturen.

"We kunnen nu vloeibaar metaal in vrijwel elk polymeer of copolymeer suspenderen om hun materiaaleigenschappen aan te passen en hun prestaties te verbeteren, "zei Majidi. "Dit is nog niet eerder gedaan. Het opent de deur naar toekomstige ontdekking van materialen."

De onderzoekers voorzien dat dit proces kan worden gebruikt om verschillende polymeren te combineren met vloeibaar metaal, en door de concentratie van vloeibaar metaal te regelen, ze kunnen de eigenschappen bepalen van de materialen die ze maken. Het aantal mogelijke combinaties is enorm, maar de onderzoekers geloven dat met behulp van kunstmatige intelligentie, hun aanpak zou kunnen worden gebruikt om "op bestelling gemaakte" elastomeercomposieten te ontwerpen met op maat gemaakte eigenschappen. Het resultaat zal een nieuwe klasse materialen zijn die in verschillende toepassingen kan worden gebruikt, inclusief zachte robotica, kunstmatige huid en biocompatibele medische hulpmiddelen.