Elektrisk kredsløb lavet af gel kan reparere sig selv

(Phys.org) – Forskere har fremstillet et fleksibelt elektrisk kredsløb, der, når den er skåret i to stykker, kan reparere sig selv og fuldt ud genoprette sin oprindelige ledningsevne. Kredsløbet er lavet af en ny gel, der besidder en kombination af egenskaber, der ikke typisk ses sammen:høj ledningsevne, fleksibilitet, og stuetemperatur selvhelbredelse. Gelen kan potentielt tilbyde selvhelbredende til en række anvendelser, herunder fleksibel elektronik, blød robotik, kunstigt skind, biomimetiske proteser, og energilagringsenheder.

Forskerne, ledet af Guihua Yu, en assisterende professor ved University of Texas i Austin, har offentliggjort et papir om den nye selvhelbredende gel i et nyligt nummer af Nano bogstaver .

Den nye gels egenskaber stammer fra dens hybridsammensætning af to geler:en supramolekylær gel, eller 'supergel', injiceres i en ledende polymerhydrogelmatrix. Som forskerne forklarer, denne "gæst-til-vært"-strategi gør det muligt at kombinere de kemiske og fysiske egenskaber ved hver komponent.

Supergelen, eller "gæsten, " giver den selvhelbredende evne på grund af dens supramolekylære kemi. Som en supramolekylær samling, den består af store molekylære underenheder snarere end individuelle molekyler. På grund af sin store størrelse og struktur, samlingen holdes sammen af ​​meget svagere interaktioner end normale molekyler, og disse interaktioner kan også være reversible. Denne reversibilitet er det, der giver supergelen dens evne til at fungere som en "dynamisk lim" og samle sig selv igen.

I mellemtiden den ledende polymer hydrogel, eller "værten, " bidrager til ledningsevnen på grund af dets nanostrukturerede 3D-netværk, der fremmer elektrontransport. Som rygraden i hybridgelen, Hydrogel-komponenten forstærker også dens styrke og elasticitet. Når supergelen sprøjtes ind i hydrogelmatrixen, den vikler sig rundt om hydrogelen på en sådan måde, at den danner et andet netværk, yderligere styrkelse af hybridgelen som helhed.

I deres eksperimenter, forskerne fremstillede tynde film af hybridgelen på fleksible plastiksubstrater for at teste deres elektriske egenskaber. Testene viste, at ledningsevnen er blandt de højeste værdier af ledende hybridgeler, og opretholdes på grund af den selvhelbredende egenskab selv efter gentagen bøjning og strækning. Forskerne viste også, at når et elektrisk kredsløb lavet af hybridgelen afbrydes, det tager omkring et minut for kredsløbet at selvhelbrede sig og genvinde sin oprindelige ledningsevne. Gelen heler sig selv, selv efter at den er blevet skåret flere gange på samme sted.

Forskerne forklarede, at det ledende selvhelbredende materiale har en række potentielle anvendelser.

"Den ledende selvhelbredende gel, vi udviklede, kan anvendes på mange teknologiske områder, fra fleksibel/strækbar elektronik, kunstigt skind, energilagrings- og omdannelsesenheder, til biomedicinsk udstyr, " fortalte Yu Phys.org . "For eksempel, gelen kan potentielt bruges i implanterbare biosensorer som fleksible, men selvhelbredende elektroder, at sikre holdbarheden af ​​disse enheder. Og i energienheder, for eksempel, gelen kan fungere som bindemiddel til avancerede batterielektroder i højdensitets Li-ion-batterier, hvor højkapacitetselektroder kan opleve væsentlige volumenændringer."

Forskerne håber også, at ved at kombinere supramolekylær kemi og polymer nanovidenskab, de resulterende hybridgeler kan give en nyttig strategi til at designe nye selvhelbredende materialer.

"Vi planlægger at undersøge de grundlæggende mekanismer for supramolekylære gelers selvhelbredende egenskaber og for bedre at forstå, hvordan forskellige nøglefaktorer, såsom forskellige metalioner, molekylernes geometrier, og interaktionerne mellem supramolekylet og forskellige opløsningsmidler, påvirke de selvhelbredende egenskaber, " sagde Yu. "En dybere grundlæggende forståelse vil gøre det muligt at udvikle bedre materialer. I mellemtiden fra et mere 'praktisk anvendelses' synspunkt, nogle forskningsindsatser (sammen med vores samarbejdspartnere) vil blive afsat til at udvikle skalerbare syntetiske strategier af supramolekyler og selvhelbredende hybridgeler med endnu bedre mekanisk styrke og elasticitet, til potentielle anvendelser af disse selvhelbredende geler i forskellige teknologiområder."

© 2015 Phys.org