Создан умный материал, который лучше работает под давлением
Вскоре после разработки резины, сочетающей в себе гибкость и высокую электропроводность, могут появиться усовершенствованные чувствительные к прикосновениям роботы или носимые устройства следующего поколения со сложными возможностями обнаружения.
Новый интеллектуальный композитный материал , разработанный исследователями факультета инженерных и информационных наук Университета Вуллонгонга (UOW), демонстрирует свойства, которые ранее не наблюдались: он увеличивает электрическую проводимость при деформации, особенно при удлинении.
Эластичные материалы , такие как каучуки, востребованы в робототехнике и носимых технологиях, потому что они по своей природе гибкие, и их можно легко модифицировать для удовлетворения конкретных потребностей.
Чтобы сделать их электропроводящими, для формирования композитного материала добавляют проводящий наполнитель, такой как частицы железа.
Задача исследователей — найти комбинацию материалов для получения композита, который преодолевает конкурирующие функции гибкости и проводимости . Как правило, когда композитный материал растягивается, его способность проводить электричество уменьшается, когда частицы проводящего наполнителя отделяются.
Тем не менее, для возникающей сферы робототехники и носимых устройств жизненно важным требованием является возможность изгибаться, сжиматься, растягиваться или скручиваться при сохранении проводимости.
Под руководством старшего профессора Вейхуа Ли и постдокторанта вице-канцлера доктора Шияна Тана исследователи UOW разработали материал, в котором излагается свод правил о взаимосвязи между механическим напряжением и электропроводностью.
Используя жидкие металлические и металлические микрочастицы в качестве проводящего наполнителя, они обнаружили композит, который увеличивает его проводимость по мере увеличения нагрузки на него — открытие, которое не только открывает новые возможности в приложениях, но и неожиданным образом.
Доктор Тан сказал, что первым шагом была смесь жидкого металла, железных микрочастиц и эластомера, которая, по случайной случайности, была отверждена в духовке гораздо дольше, чем обычно.
Избыточный отвержденный материал имел пониженное электрическое сопротивление, когда подвергался воздействию магнитного поля, но потребовалось еще десятки образцов, чтобы обнаружить, что причиной этого явления было увеличенное время отверждения на несколько часов, чем обычно.
«Когда мы случайно растянули образец во время измерения его сопротивления, мы неожиданно обнаружили, что сопротивление резко уменьшилось», — сказал доктор Тан.
«Наши тщательные испытания показали, что удельное сопротивление этого нового композита может уменьшиться на семь порядков при растяжении или сжатии, даже на небольшую величину.
«Увеличение проводимости при деформации материала или применении магнитного поля — свойства, которые мы считаем беспрецедентными».
Результаты были недавно опубликованы в журнале Nature Communications .
Ведущий автор и доктор философии студент Гуолинь Юнь сказал, что исследователи продемонстрировали несколько интересных применений, таких как использование превосходной теплопроводности композита для создания портативного нагревателя, который нагревается там, где применяется давление.
«Тепло увеличивается в области, где применяется давление, и уменьшается при снятии. Эта функция может использоваться для гибких или носимых нагревательных устройств, таких как стельки с подогревом», — сказал он.
Исследовательская группа изучает материалы, которые могут изменить свое физическое состояние, например форму или твердость, в ответ на механическое давление. С добавлением электрической проводимости материалы становятся «умными» благодаря возможности преобразовывать механические силы в электронные сигналы.
Профессор Ли сказал, что открытие не только преодолело ключевую проблему поиска гибкого и высокопроводящего композитного материала, его беспрецедентные электрические свойства могут привести к инновационным применениям, таким как растяжимые датчики или гибкие носимые устройства, которые могут распознавать движение человека.
«При использовании обычных проводящих композитов в гибкой электронике снижение проводимости при растяжении нежелательно, поскольку оно может значительно повлиять на производительность этих устройств и снизить срок службы батареи.
«В этом смысле нам пришлось разработать композитный материал со свойствами, которые никогда ранее не наблюдались: материал, который может сохранять свою проводимость или увеличивать проводимость при ее удлинении.
«Мы знаем, что многие научные достижения явились результатом необычных идей. Исследование нетрадиционных областей и лабораторной культуры, которая поощряет инновации, с большей вероятностью приведет к неожиданным открытиям».
