Self-Healing , berührungsempfindliche Plastikhaut

Niemand weiß, die bemerkenswerten Eigenschaften der menschlichen Haut , wie die Forscher kämpfen, um sie zu emulieren. Es ist nicht nur die Haut empfindlich ist, Senden des Gehirns präzise Informationen über Druck und Temperatur, aber es heilt auch wirksam , um eine Schutzbarrieregegen die Welt zu erhalten . Die Kombination dieser beiden Funktionen in einem einzigen Kunststoff präsentiert eine spannende Herausforderung für Stanford Verfahrenstechnik Prof. Zhenan Bao und ihr Team .

Nun , sie bei der Herstellung der ersten Material, das sowohl Sinn subtilen Druck und heilen sich selbst, wenn gerissen oder geschnitten gelungen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology .

In den letzten zehn Jahren gab es große Fortschritte in der synthetischen Haut, sagte Bao , der die Studie Principal Investigator , aber selbst die effektivsten Selbstheilungs Materialien hatten große Nachteile . Einige mussten die hohen Temperaturen ausgesetzt werden , so dass sie unpraktisch für Tag-zu- Tag verwenden . Andere konnten bei Raumtemperatur zu heilen , aber die Reparatur eines cut ihre mechanische oder chemische Struktur verändert , so konnten sie sich nur einmal zu heilen. Am wichtigsten ist, keine Selbstheilungs Material eine gute Groß elektrischer Leiter , eine entscheidende Eigenschaft .

" Um diese Art von Material mit der digitalen Welt Schnittstelle , im Idealfall Sie wollen, dass sie leitfähig sein ", sagte Benjamin Chee- Keong Tee , erster Autor des Papiers.

Ein neues Rezept

Die Forscher konnten durch die Kombination zweier Zutaten zu bekommen, was Bao als " das Beste aus beiden Welten " - die Selbstheilungskräfte Fähigkeit aus einem Kunststoffpolymerund der Leitfähigkeit eines Metalls.

Sie begannen mit einem Kunststoff , bestehend aus langen Ketten von Molekülen durch Wasserstoffbindungen verbunden - die relativ schwache Anziehung zwischen dem positiv geladenen Bereich einer Atom und dem negativ geladenen Bereich der nächsten.

"Diese dynamische Bindungen damit das Material selbst zu heilen ", sagte Wang Chao , ein Co- Erstautor der Forschung. Die Moleküle leicht auseinander zu brechen , aber dann , wenn sie wieder , die Bindungen neu organisieren sich selbst und zur Wiederherstellung der Struktur des Materials , nachdem es beschädigt wird , sagte er. Das Ergebnis ist eine biegsame Material, das bereits bei Raumtemperatur fühlt sich ein bisschen wie Salzwasser Taffy im Kühlschrank gelassen .

Zu diesem elastischen Polymer , fügte die Forscher winzige Partikel aus Nickel, die die mechanische Festigkeit erhöht. Die nanoskaligen Oberflächen der Nickelpartikel sind rauh , die bei der Herstellung der leitfähigen Material wichtig erwiesen . T verglichen diese Oberflächenmerkmale zu "Mini- Macheten, " mit jedem vorspringenden Rand Konzentration eines elektrischen Feldes und macht es einfacher für Strom von einem Partikel zum nächsten fließen.

Das Ergebnis war ein Polymer mit ungewöhnlichen Eigenschaften . " Die meisten Kunststoffe sind gute Isolatoren , aber dies ist ein ausgezeichneter Leiter ", sagt Bao .

wieder auf die Beine

Der nächste Schritt war es, zu sehen , wie gut das Material kann sowohl die mechanische Festigkeit und die elektrische Leitfähigkeit nach Schädigung wiederherzustellen.

Die Forscher nahmen einen dünnen Streifen des Materials und lässt es von der mit einem Skalpell . Nach leichtem Zusammendrücken der Stücke für einige Sekunden , fanden sie das Material zurück gewonnen 75 Prozent seiner ursprünglichen Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Das Material wurde nach etwa 30 Minuten wieder nahe 100 Prozent. "Auch die menschliche Haut dauert Tage , um zu heilen . Also ich denke, das ist ziemlich cool", sagte T .

Was mehr ist, könnte die gleiche Probe mehrmals an der gleichen Stelle geschnitten werden. Nach 50 Schnitte und Reparaturen, widerstand eine Probe Beugen und Strecken genau wie das Original .

Das zusammengesetzte Natur des Materials eine neue technische Herausforderung für das Team. Bao und ihre Co-Autoren festgestellt, dass , obwohl Nickel war der Schlüssel, um das Material stark und leitfähig, sondern auch in der Art und Weise des Heilungsprozesses hat , verhindert, dass die Wasserstoffbrückenbindungen aus der Wiederverbindung als auch , wie sie sollten .

Für zukünftige Generationen des Materials , die Bao das Team könnte die Größe und Form der Nanopartikel oder auch die chemischen Eigenschaften des Polymers einzustellen , um dieses Trade-off zu bekommen.

Dennoch sagte Wang das Ausmaß dieser selbstheilenden Eigenschaften war wirklich überraschend: " Vor unserer Arbeit war es sehr schwer, sich vorzustellen , dass diese Art von flexiblen, leitfähigen Material könnte auch Selbstheilungskräfte zu sein."

Berührungsempfindlich

Das Team untersucht auch, wie Sie das Material als Sensor zu verwenden. Für die Elektronen , aus denen ein elektrischer Strom und versuchte, durch dieses Material übergeben ist wie der Versuch , einen Strom durch Hüpfen von Stein zu Stein überqueren. Die Steine ​​in dieser Analogie sind die Nickelpartikel , und der Abstand zwischen ihnen bestimmt, wie viel Energie eine Elektronen brauchen , um sich von einer Klappe freizugeben und zum anderen bewegen .

Verdrehen oder Druck auf die Kunststoffhaut ändert sich der Abstand zwischen den Nickelteilchen und deshalb die Leichtigkeit, mit der Elektronen bewegen . Diese feine Änderungen im elektrischen Widerstand kann in Informationen über Druck und Zug auf die Haut übertragen werden.

T , so dass das Material empfindlich genug, um den Druck eines Handshake zu detektieren . Es könnte daher ideal für die Verwendung in der Prothetik , Bao zugegeben. Das Material ist nicht nur gegenüber Druck nach unten , sondern auch auf Biegung , so dass eine Prothese wird irgendwann in der Lage , den Grad der Krümmung in einer gemeinsamen registrieren.

T wies darauf hin, andere kommerzielle Möglichkeiten. Elektrische Geräte und Leitungen in diesem Material beschichtet konnten sich reparieren und Strom ohne kostspielige und schwierige Wartung wieder fließen , insbesondere in schwer zugänglichen Orten, beispielsweise in Gebäude Wände oder Fahrzeugen.

Weiter oben, Bao sagte, das Ziel des Teams ist es, das Material elastisch und transparent, so dass es vielleicht für Verpackung und Überlagerung elektronische Geräte oder Bildschirme können.