Materialer kan føre til selvhelbredende smartphones

Tager et signal fra Marvel-universet, forskere rapporterer, at de har udviklet et selvhelbredende polymermateriale med et øje mod elektronik og blød robotik, der kan reparere sig selv. Materialet er strækbart og gennemsigtigt, leder ioner for at generere strøm og kunne en dag hjælpe din ødelagte smartphone med at gå sammen igen.

Forskerne vil præsentere deres arbejde i dag ved det 253. nationale møde og udstilling af American Chemical Society (ACS).

"Da jeg var ung, mit idol var Wolverine fra X-Men, "Chao Wang, Ph.D., siger. "Han kunne redde verden, men kun fordi han kunne helbrede sig selv. Et selvhelbredende materiale, når den er skåret i to dele, kan gå sammen igen, som om intet er hændt, ligesom vores menneskelige hud. Jeg har forsket i at lave et selvhelbredende lithium-ion-batteri, så når du taber din mobiltelefon, det kunne ordne sig selv og holde meget længere."

Nøglen til selvreparation ligger i den kemiske binding. Der findes to typer bindinger i materialer, Wang forklarer. Der er kovalente bindinger, som er stærke og ikke let reformeres, når de er brudt; og ikke-kovalente bindinger, som er svagere og mere dynamiske. For eksempel, brintbindingerne, der forbinder vandmolekyler med hinanden, er ikke-kovalente, brydes og reformeres konstant for at give vands flydende egenskaber. "De fleste selvhelbredende polymerer danner hydrogenbindinger eller metal-ligand-koordination, men disse er ikke egnede til ioniske ledere, " siger Wang.

Wangs team ved University of California, Riverside, vendte i stedet til en anden type ikke-kovalent binding kaldet en ion-dipol-interaktion, en kraft mellem ladede ioner og polære molekyler. "Ion-dipol-interaktioner er aldrig blevet brugt til at designe en selvhelbredende polymer, men det viser sig, at de er særligt velegnede til ionledere, " siger Wang. Nøgledesignideen i udviklingen af ​​materialet var at bruge en polar, strækbar polymer, poly(vinylidenfluorid-co-hexafluorpropylen), plus en mobil, ionisk salt. Polymerkæderne er forbundet med hinanden ved ion-dipol-interaktioner mellem de polære grupper i polymeren og det ioniske salt.

Det resulterende materiale kan strække sig op til 50 gange sin sædvanlige størrelse. Efter at være blevet revet i to, materialet syede sig automatisk helt sammen igen inden for en dag.

Som en test, forskerne genererede en "kunstig muskel" ved at placere en ikke-ledende membran mellem to lag af ionlederen. Det nye materiale reagerede på elektriske signaler, bringe bevægelse til disse kunstige muskler, så navngivet, fordi biologiske muskler på samme måde bevæger sig som reaktion på elektriske signaler (selvom Wangs materialer ikke er beregnet til medicinske anvendelser).

Til næste trin, forskerne arbejder på at ændre polymeren for at forbedre materialets egenskaber. For eksempel, de tester materialet under barske forhold, såsom høj luftfugtighed. "Tidligere selvhelbredende polymerer har ikke fungeret godt i høj luftfugtighed, siger Wang. "Vand kommer derind og roder tingene sammen. Det kan ændre de mekaniske egenskaber. Vi er i øjeblikket ved at justere de kovalente bindinger i selve polymeren for at gøre disse materialer klar til anvendelse i den virkelige verden."