Biologisk inspireret, højtydende polyurethan udviklet til strækbar elektronik

En forskergruppe ledet af prof. Zhu Jin ved Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering (NIMTE) under det kinesiske videnskabsakademi (CAS) udviklede en polyurethan med fremragende strækegenskaber, sejhed, selvhelbredende og endda termisk reparation, som efterligner de biologiske funktionaliteter af menneskelige muskler. Undersøgelsen blev offentliggjort i Avancerede funktionelle materialer .

Som en stadig mere værdifuld grænse for den næste generation af elektroniske enheder, strækbar elektronik kan tilpasse sig bløde og buede former, og forventes dermed at spille en mere konstruktiv rolle i den kunstige intelligens tidsalder og udløse større ændringer i menneskers dagligdag.

Elastomerer er inkorporeret i den strækbare elektronik og giver dem varierende mekaniske egenskaber eller endda yderligere funktioner som selvhelbredende for at bevare holdbarheden og stabiliteten af ​​strækbar elektronik. Imidlertid, afvejningen mellem mekaniske egenskaber (dvs. strækbarhed og sejhed) og selvhelbredelse begrænser optimeringen af ​​de overordnede egenskaber af elastisk matrix.

Inspireret af de biologiske egenskaber af menneskelige muskler, forskerne ved NIMTE syntetiserede en polyurethan (DA-PU) til strækbar elektronik, som indeholder donor- og acceptorgrupper skiftevis fordelt langs hovedkæden for at opnå både intra-kæde og inter-kæde donor-acceptor (D–A) selvsamling.

I kraft af skeletmuskelproteinet titin, menneskelige muskler kan udføre hundredvis af koncentrations-/afspændingscyklusser på kort tid. De intramolekylære sekundære interaktioner af titin kan reversible sprænges og foldes igen for at genoprette musklen.

Tilsvarende takket være den vendbare D–A-selvsamling, DA-PU kunne udføre den samme eller flere koncentrations-/afspændingscyklusser uden permanent deformation. D-A-selvsamlingen stabiliserede netværksstrukturen bestående af bløde og hårde faser i polyurethan, gør det som hyperelastisk, super hård, og holdbare som menneskelige muskler.

I detaljer, DA-PU udviste fantastiske mekaniske præstationer med en brudforlængelse på 1900% og en sejhed på 175,9 MJ m ^-3 . Cykliske træk- og stressafspændingseksperimenter beviste dens bemærkelsesværdige anti-trætheds- og anti-stress-afslapningsegenskaber. Selv i tilfælde af deformation under stor belastning eller langvarig strækning, det kunne næsten gendannes fuldstændigt ved termisk reparation ved 60 ℃. Den selvhelbredende hastighed af DA-PU opnåede 1,0–6,15 μm min ^-1 fra 60 til 80 °C, som gradvist blev forstærket efterhånden som temperaturen steg.

I øvrigt, forskerne fremstillede en strækbar kapacitiv sensor baseret på DA-PU, som viste bemærkelsesværdig strækbarhed, anti-træthed og selvhelbredende egenskaber selv efter kritisk deformation og afskæring.

Strategien kan kaste lys over forskning og udvikling af en række seje og selvhelbredende elastiske materialer anvendt inden for strækbar elektronik.