Forskere opdager en unik strækbar leder

Air Force Research Laboratory har udviklet flydende metalsystemer, som selvstændigt ændrer struktur, så de bliver bedre ledere som reaktion på belastning.

Ledende materialer ændrer deres egenskaber, når de belastes eller strækkes. Typisk, den elektriske ledningsevne falder, og modstanden stiger ved udstrækning.

Materialet for nylig udviklet af AFRL-forskere, kaldet Polymerized Liquid Metal Networks, gør lige det modsatte. Disse flydende metalnetværk kan belastes op til 700 %, reagere autonomt på denne belastning for at holde modstanden mellem disse to stater stort set den samme, og stadig vende tilbage til deres oprindelige tilstand. Det hele skyldes den selvorganiserede nanostruktur i materialet, der udfører disse svar automatisk.

"Denne reaktion på udstrækning er det stik modsatte af, hvad du ville forvente, " sagde Dr. Christopher Tabor, AFRL ledende forsker på projektet. "Typisk vil et materiale øges i modstand, når det strækkes, simpelthen fordi strømmen skal passere gennem mere materiale. At eksperimentere med disse flydende metalsystemer og se den modsatte reaktion var fuldstændig uventet og ærlig talt utroligt, indtil vi forstod, hvad der foregik."

Ledninger, der bevarer deres egenskaber under disse forskellige slags mekaniske forhold, har mange anvendelser, såsom næste generation af bærbar elektronik. For eksempel, materialet kunne integreres i en langærmet beklædningsgenstand og bruges til at overføre kraft gennem skjorten og på tværs af kroppen på en måde, så bøjning af en albue eller drejning af en skulder ikke vil ændre den overførte kraft.

AFRL-forskere vurderede også materialets varmeegenskaber i en formfaktor, der ligner en opvarmet handske. De målte termisk respons med vedvarende fingerbevægelse og bibeholdt en næsten konstant temperatur med en konstant påført spænding, i modsætning til nuværende state-of-the-art strækbare varmelegemer, der mister betydelig termisk energiproduktion, når de bliver belastet på grund af modstandsændringerne. Disse egenskaber og materialefremstillingsdetaljerne sammenlignes direkte i det aktuelle nummer af Avancerede materialer .

Dette projekt startede inden for det sidste år og blev udviklet i AFRL med grundlæggende forskningsdollar fra Air Force Office of Scientific Research. Det undersøges i øjeblikket for yderligere udvikling i partnerskab med både private virksomheder og universiteter. At arbejde med virksomheder om kooperativ forskning er gavnligt, fordi de tager tidlige systemer, der fungerer godt i laboratoriet, og optimerer dem til potentiel opskalering. I dette tilfælde, de vil muliggøre integration af disse materialer i tekstiler, der kan tjene til at overvåge og øge menneskelig ydeevne.

Forskerne starter med individuelle partikler af flydende metal indesluttet i en skal, som ligner vandballoner. Hver partikel er derefter kemisk bundet til den næste gennem en polymerisationsproces, beslægtet med at tilføje led i en kæde; på den måde er alle partiklerne forbundet med hinanden.

Når de tilsluttede flydende metalpartikler spændes, partiklerne rives op, og flydende metal løber ud. Forbindelser dannes for at give systemet både ledningsevne og iboende strækbarhed. Under hver strækcyklus efter den første, ledningsevnen øges og vender tilbage til det normale. For at toppe det, der er ingen påvisning af træthed efter 10, 000 cyklusser.

"Opdagelsen af ​​Polymerized Liquid Metal Networks er ideel til strækbar strømforsyning, sansning og kredsløb, sagde kaptajn Carl Thrasher, forskningskemiker i Materials and Manufacturing Directorate ved AFRL og hovedforfatter på Journal Article. "Menneskelige grænsefladesystemer vil være i stand til at fungere kontinuerligt, vejer mindre, og levere mere kraft med denne teknologi."

"Vi synes, det er rigtig spændende for en lang række applikationer, " tilføjede han. "Dette er noget, der ikke er tilgængeligt på markedet i dag, så vi er virkelig glade for at introducere dette til verden og sprede ordet."