Ученые создают мягкие, гибкие материалы с улучшенными свойствами
Команда химиков и инженеров из Университета Карнеги-Меллона разработала новую методологию, которая может быть использована для создания класса растяжимых полимерных композитов с улучшенными электрическими и термическими свойствами. Эти материалы являются перспективными кандидатами для использования в мягкой робототехнике, электронике для самовосстановления и медицинских устройствах. Результаты опубликованы в майском номере журнала Nature Nanotechnology .
В этом исследовании ученые объединили свой опыт в фундаментальной науке и технике, чтобы разработать метод, который равномерно включает эвтектический галлий-индий (EGaIn), металлический сплав, который является жидким при температуре окружающей среды, в эластомер. Это создало новый материал — очень эластичный, мягкий, многофункциональный композит, который имеет высокий уровень термостабильности и электрической проводимости .
Кармел Маджиди, профессор машиностроения в Carnegie Mellon и директор лаборатории мягких машин, провел обширное исследование по разработке новых мягких материалов, которые можно использовать для биомедицинских и других применений. В рамках этого исследования он разработал резиновые композиты, засеянные наноскопическими каплями жидкого металла . Эти материалы , казались многообещающими, но механический метод перемешивания , он используется для объединения компонентов получены материалы с противоречивыми композициями, и , как следствие, противоречивые свойствами.
Чтобы преодолеть эту проблему, Маджиди обратился к химику- полимеру Карнеги-Меллона и профессору естественных наук Университета Дж. К. Уорнера Кшиштофу Матяшевскому, который в 1994 году разработал радикальную полимеризацию с переносом атомов (ATRP). ATRP, первый и самый надежный метод контролируемой полимеризации, позволяет ученым соединяют мономеры по частям, что приводит к получению высокоэффективных полимеров с особыми свойствами.
«Новые материалы эффективны, только если они надежны. Вам нужно знать, что ваш материал будет работать одинаково каждый раз, прежде чем вы сможете превратить его в коммерческий продукт», — сказал Матияшевский. «ATRP зарекомендовал себя как мощный инструмент для создания новых материалов, которые имеют устойчивые, надежные структуры и уникальные свойства».
Маджиди, Матияшевский и профессор материаловедения и инженерии Майкл Р. Боксталлер использовали ATRP для прикрепления мономерных кистей к поверхности нанодепел EGaIn. Щетки были способны соединяться вместе, образуя прочные связи с каплями. В результате жидкий металл равномерно диспергируется по всему эластомеру, в результате чего получается материал с высокой эластичностью и высокой теплопроводностью.
Матияшевский также отметил, что после прививки полимера температура кристаллизации eGaIn снижалась с 15 до -80 С, расширяя жидкую фазу капли — и, следовательно, ее свойства жидкости — вплоть до очень низких температур.
«Теперь мы можем суспендировать жидкий металл практически в любом полимере или сополимере, чтобы адаптировать их свойства материала и улучшить их характеристики», — сказал Маджиди. «Это не было сделано раньше. Это открывает дверь для будущего открытия материалов».
Исследователи предполагают, что этот процесс может быть использован для объединения различных полимеров с жидким металлом, и, контролируя концентрацию жидкого металла, они могут контролировать свойства материалов, которые они создают. Число возможных комбинаций огромно, но исследователи полагают, что с помощью искусственного интеллекта их подход может быть использован для создания эластомерных композитов на заказ, которые имеют индивидуальные свойства. Результатом станет новый класс материалов, которые можно использовать в самых разных областях, включая мягкую робототехнику , искусственную кожу и биосовместимые медицинские устройства.
