Berøringsfølsom plastikhud heler sig selv

(Phys.org) – Et team af Stanford-kemikere og ingeniører har skabt det første syntetiske materiale, der både er følsomt over for berøring og i stand til at hele sig selv hurtigt og gentagne gange ved stuetemperatur. Fremgangen kan føre til smartere proteser eller mere robust personlig elektronik, der reparerer sig selv.

Ingen kender menneskehudens bemærkelsesværdige egenskaber som forskerne, der kæmper for at efterligne den. Ikke kun er vores hud følsom, sender hjernen præcis information om tryk og temperatur, men det helbreder også effektivt for at bevare en beskyttende barriere mod verden. At kombinere disse to funktioner i et enkelt syntetisk materiale gav en spændende udfordring for Stanford Chemical Engineering Professor Zhenan Bao og hendes team.

Nu, det er lykkedes dem at lave det første materiale, der både kan fornemme subtilt pres og helbrede sig selv, når det bliver revet eller skåret. Deres resultater vil blive offentliggjort den 11. november i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

I det sidste årti, der er sket store fremskridt inden for syntetisk hud, sagde Bao, undersøgelsens hovedforsker, men selv de mest effektive selvhelbredende materialer havde store ulemper. Nogle måtte udsættes for høje temperaturer, hvilket gør dem upraktiske til daglig brug. Andre kunne hele ved stuetemperatur, men reparation af et snit ændrede deres mekaniske eller kemiske struktur, så de kunne kun helbrede sig selv én gang. Mest vigtigt, intet selvhelbredende materiale var en god masseleder af elektricitet, en afgørende egenskab.

"For at grænseflade denne slags materiale med den digitale verden, ideelt set ønsker du, at de skal være ledende, " sagde Benjamin Chee-Keong Tee, første forfatter til papiret.

En ny opskrift

Det lykkedes forskerne ved at kombinere to ingredienser for at få, hvad Bao kalder "det bedste fra begge verdener" - en plastpolymers selvhelbredende evne og et metals ledningsevne.

De startede med en plastik bestående af lange kæder af molekyler forbundet af hydrogenbindinger - de relativt svage attraktioner mellem det positivt ladede område af et atom og det negativt ladede område af det næste.

"Disse dynamiske bindinger gør det muligt for materialet at selvhelbrede sig, " sagde Chao Wang, en medførsteforfatter af forskningen. Molekylerne bryder let ad, men når de forbinder igen, bindingerne omorganiserer sig selv og genopretter materialets struktur, efter at det er blevet beskadiget, han sagde. Resultatet er et bøjeligt materiale, som selv ved stuetemperatur føles lidt som saltvandstaffy efterladt i køleskabet.

Til denne elastiske polymer, forskerne tilføjede bittesmå partikler af nikkel, hvilket øgede dens mekaniske styrke. Nikkelpartiklernes nanoskalaoverflader er ru, hvilket viste sig at være vigtigt for at gøre materialet ledende. Tee sammenlignede disse overfladetræk med "mini-machetes, " med hver fremspringende kant koncentrerer et elektrisk felt og gør det lettere for strømmen at flyde fra en partikel til den næste.

Resultatet var en polymer med ualmindelige egenskaber. "Det meste plast er gode isolatorer, men dette er en fremragende dirigent, " sagde Bao.

Hopper tilbage

Næste skridt var at se, hvor godt materialet kunne genoprette både dets mekaniske styrke og dets elektriske ledningsevne efter beskadigelse.

Forskerne tog en tynd strimmel af materialet og skar den i to med en skalpel. Efter forsigtigt at trykke stykkerne sammen i et par sekunder, de fandt, at materialet fik 75 procent tilbage af sin oprindelige styrke og elektriske ledningsevne. Materialet blev genoprettet tæt på 100 procent på cirka 30 minutter. "Selv menneskelig hud tager dage om at hele. Så jeg synes, det her er ret fedt, " sagde Tee.

Hvad mere er, den samme prøve kunne skæres gentagne gange på samme sted. Efter 50 snit og reparationer, en prøve modstod bøjning og strækning ligesom originalen.

Materialets sammensatte natur skabte en ny teknisk udfordring for teamet. Bao og hendes medforfattere fandt ud af, at selvom nikkel var nøglen til at gøre materialet stærkt og ledende, det kom også i vejen for helingsprocessen, forhindrer hydrogenbindinger i at genoprette så godt som de burde.

For fremtidige generationer af materialet, Bao sagde, at holdet kunne justere størrelsen og formen af ​​nanopartiklerne, eller endda polymerens kemiske egenskaber, at komme uden om denne afvejning.

Ikke desto mindre, Wang sagde, at omfanget af disse selvhelbredende egenskaber virkelig var overraskende:"Før vores arbejde, det var meget svært at forestille sig, at denne form for fleksibel, ledende materiale kan også være selvhelbredende."

Følsom ved berøring

Holdet undersøgte også, hvordan man kunne bruge materialet som en sensor. For elektronerne, der udgør en elektrisk strøm, at prøve at passere gennem dette materiale er som at prøve at krydse et vandløb ved at hoppe fra sten til sten. Stenene i denne analogi er nikkelpartiklerne, og afstanden, der adskiller dem, bestemmer, hvor meget energi en elektron skal bruge for at frigøre sig fra en sten og flytte til en anden.

Vridning eller tryk på den syntetiske hud ændrer afstanden mellem nikkelpartiklerne og derfor, den lethed, hvormed elektroner kan bevæge sig. Disse subtile ændringer i elektrisk modstand kan oversættes til information om tryk og spændinger på huden.

Tee siger, at materialet er følsomt nok til at registrere trykket fra et håndtryk. Måske, derfor, være ideel til brug i proteser, Bao tilføjede. Materialet er ikke kun følsomt over for nedadgående tryk, men også over for bøjning, så en proteselem vil måske en dag kunne registrere graden af ​​bøjning i et led.

Tee pegede på andre kommercielle muligheder. Elektriske apparater og ledninger belagt med dette materiale kunne reparere sig selv og få elektriciteten til at flyde igen uden dyr og vanskelig vedligeholdelse, især på svært tilgængelige steder, såsom inde i bygningsvægge eller køretøjer.

Næste op, Bao sagde, at holdets mål er at gøre materialet elastisk og gennemsigtigt, så det kan være egnet til indpakning og overlejring af elektroniske enheder eller skærme.