Nyt smart materiale fungerer bedre under pres

Avancerede robotfølsomme berøringsenheder eller næste generations bærbare enheder med sofistikerede sensoregenskaber kan snart være mulige efter udviklingen af ​​en gummi, der kombinerer fleksibilitet med høj elektrisk ledningsevne.

Det nye smarte kompositmateriale, udviklet af forskere ved University of Wollongongs (UOW) Fakultet for Ingeniørvidenskab og Informationsvidenskab, viser egenskaber, der ikke tidligere er blevet observeret:det øges i elektrisk ledningsevne, når det deformeres, især når den er aflang.

Elastiske materialer, såsom gummi, er eftertragtede inden for robotteknologi og bærbar teknologi, fordi de i sagens natur er fleksible, og kan nemt ændres, så de passer til et bestemt behov.

For at gøre dem elektrisk ledende, et ledende fyldstof, såsom jernpartikler, tilsættes for at danne et kompositmateriale.

Udfordringen for forskere har været at finde en kombination af materialer til at producere en komposit, der overvinder de konkurrerende funktioner som fleksibilitet og ledningsevne. Typisk, som et kompositmateriale strækkes, dens evne til at lede elektricitet falder, efterhånden som de ledende fyldstofpartikler adskilles.

Endnu, for den nye sfære af robotteknologi og bærbare enheder, at kunne bøjes, komprimeret, strakt eller snoet, mens ledningsevnen bevares, er et afgørende krav.

Ledet af seniorprofessor Weihua Li og vicekanslers postdoktor, dr. Shiyang Tang, UOW-forskerne har udviklet et materiale, der kaster ud med regelbogen om forholdet mellem mekanisk belastning og elektrisk ledningsevne.

Brug af flydende metal og metalliske mikropartikler som et ledende fyldstof, de opdagede et kompositmateriale, der øger dets ledningsevne, jo mere det belastes det – en opdagelse, der ikke kun åbner op for nye anvendelsesmuligheder, det kom også til på en uventet måde.

Dr. Tang sagde, at det første skridt var en blanding af flydende metal, jern mikropartikler, og elastomer, der ved en tilfældig ulykke, havde været hærdet i en ovn i meget længere tid end normalt.

Det overhærdede materiale havde reduceret elektrisk modstand, når det blev udsat for et magnetfelt, men det tog snesevis flere prøver at finde ud af, at årsagen til fænomenerne var en forlænget hærdningstid på flere timer længere, end det normalt ville tage.

"Da vi ved et uheld strakte en prøve, mens vi målte dens modstand, vi fandt overraskende ud af, at modstanden faldt dramatisk, " sagde Dr. Tang.

"Vores grundige test viste, at resistiviteten af ​​denne nye komposit kunne falde med syv størrelsesordener, når den strækkes eller komprimeres, selv med et lille beløb.

"Forøgelsen af ​​ledningsevnen, når materialet deformeres eller et magnetfelt påføres, er egenskaber, som vi mener er uden fortilfælde."

Resultaterne blev offentliggjort for nylig i tidsskriftet Naturkommunikation .

Hovedforfatter og ph.d. studerende Guolin Yun sagde, at forskerne demonstrerede flere interessante applikationer, såsom at udnytte komposittens overlegne varmeledningsevne til at bygge en bærbar varmelegeme, der varmer, hvor der påføres tryk.

"Varmen stiger til det område, hvor tryk påføres og reduceres, når den fjernes. Denne funktion kan bruges til fleksible eller bærbare opvarmningsanordninger, såsom opvarmede indlægssåler, " han sagde.

Forskergruppen har studeret materialer, der kan ændre deres fysiske tilstand, såsom form eller hårdhed, som reaktion på mekanisk tryk. Med tilføjelse af elektrisk ledningsevne, materialerne bliver 'smarte' ved at kunne omsætte mekaniske kræfter til elektroniske signaler.

Professor Li sagde, at opdagelsen ikke kun havde overvundet den centrale udfordring ved at finde et fleksibelt og meget ledende kompositmateriale, dets hidtil usete elektriske egenskaber kan føre til innovative applikationer, såsom strækbare sensorer eller fleksible bærbare enheder, der kan genkende menneskelig bevægelse.

"Når man bruger konventionelle ledende kompositter i fleksibel elektronik, faldet i ledningsevne ved strækning er uønsket, fordi det kan påvirke disse enheders ydeevne betydeligt og kompromittere batterilevetiden.

"I denne forstand, vi måtte udvikle et kompositmateriale med egenskaber, der aldrig er blevet observeret før:et materiale, der kan bevare sin ledningsevne, eller øget ledningsevne, som den er forlænget.

"Vi ved, at mange videnskabelige fremskridt er kommet fra usædvanlige ideer. Udforskningen af ​​ukonventionelle felter og en laboratoriekultur, der tilskynder til innovation, er mere tilbøjelige til at bringe uventede opdagelser."