Forskere skaber bløde, fleksible materialer med forbedrede egenskaber

Et team af polymerkemikere og ingeniører fra Carnegie Mellon University har udviklet en ny metode, der kan bruges til at skabe en klasse af strækbare polymerkompositter med forbedrede elektriske og termiske egenskaber. Disse materialer er lovende kandidater til brug inden for blød robotik, selvhelbredende elektronik og medicinsk udstyr. Resultaterne offentliggøres i 20. maj -udgaven af Naturnanoteknologi .

I undersøgelsen, forskerne kombinerede deres ekspertise inden for fundamental videnskab og teknik for at udtænke en metode, der ensartet inkorporerer eutektisk galliumindium (EGaIn), en metallegering, der er flydende ved omgivelsestemperaturer, ind i en elastomer. Dette skabte et nyt materiale - et meget strækbart, blød, multifunktionel komposit, der har et højt niveau af termisk stabilitet og elektrisk ledningsevne.

Carmel Majidi, professor i maskinteknik ved Carnegie Mellon og direktør for Soft Machines Lab, har udført omfattende forskning i at udvikle nye, bløde materialer, der kan bruges til biomedicinske og andre applikationer. Som en del af denne forskning, han udviklede gummikompositter podet med nanoskopiske dråber af flydende metal. Materialerne syntes at være lovende, men den mekaniske blandingsteknik, han brugte til at kombinere komponenterne, gav materialer med inkonsekvente sammensætninger, og som følge heraf, inkonsekvente egenskaber.

For at overvinde dette problem, Majidi henvendte sig til Carnegie Mellon polymer kemiker og J.C. Warner University professor i naturvidenskab Krzysztof Matyjaszewski, der udviklede atomoverføringsradikalpolymerisering (ATRP) i 1994. ATRP, den første og mest robuste metode til kontrolleret polymerisering, tillader forskere at snor monomerer sammen stykke for stykke, resulterer i meget skræddersyede polymerer med specifikke egenskaber.

"Nye materialer er kun effektive, hvis de er pålidelige. Du skal vide, at dit materiale vil fungere på samme måde hver gang, før du kan gøre det til et kommercielt produkt, "sagde Matyjaszewski." ATRP har vist sig at være et kraftfuldt værktøj til at skabe nye materialer, der har konsekvente, pålidelige strukturer og unikke egenskaber. "

Majidi, Matyjaszewski og materialevidenskab og teknikprofessor Michael R. Bockstaller brugte ATRP til at fastgøre monomerbørster til overfladen af ​​EGaIn -nanodråber. Børsterne var i stand til at kæde sammen, danner stærke bindinger til dråberne. Som resultat, det flydende metal er ensartet spredt gennem elastomeren, hvilket resulterer i et materiale med høj elasticitet og høj varmeledningsevne.

Matyjaszewski bemærkede også, at efter polymertransplantation, krystalliseringstemperaturen for eGaIn blev undertrykt fra 15 C til -80 C, forlængelse af dråbens væskefase ¬— og dermed dens væskeegenskaber - ned til meget lave temperaturer.

"Vi kan nu suspendere flydende metal i stort set enhver polymer eller copolymer for at skræddersy deres materialegenskaber og forbedre deres ydeevne, "sagde Majidi." Dette er ikke blevet gjort før. Det åbner døren til fremtidig materialefund. "

Forskerne forestiller sig, at denne proces kan bruges til at kombinere forskellige polymerer med flydende metal, og ved at kontrollere koncentrationen af ​​flydende metal, de kan kontrollere egenskaberne af de materialer, de skaber. Antallet af mulige kombinationer er stort, men forskerne mener, at ved hjælp af kunstig intelligens, deres fremgangsmåde kunne bruges til at designe "på bestilling" elastomerkompositter, der har skræddersyede egenskaber. Resultatet bliver en ny klasse materialer, der kan bruges i en række forskellige applikationer, herunder blød robotik, kunstig hud og biokompatibelt medicinsk udstyr.