Учени изобретиха странен нов материал, който става по-твърд, когато го ударите

Благодарение на нови изследвания, проведени от екип от Калифорнийския университет в Мерсед един ден електронните носими устройства сензорите ще могат да се изработват от материал, който се втвърдява при удар или разтягане.

Тази „адаптивна издръжливост“, както се води е важна характеристика от гледна точка на науката за материалите. Тя означава защита от повреди и устойчивост на натоварване, дори в тежки условия.

Новият материал всъщност е вдъхновен от царевичното нишесте, използвано в готварството, което може да се разбърква, когато се добави вода. За разлика от мокрия пясък, който има постоянен вискозитет, независимо дали се разбърква или пробива, суспензията от царевично нишесте действа като течност при леко разбъркване и като твърдо вещество при бързо пробиване.

При бавно разбъркване на царевичното нишесте малките частици се отблъскват взаимно. Това ги кара да действат като течност, но ако ударите повърхността бързо, те се допират, предизвиквайки триене и действайки като твърдо тяло. Тази разлика в поведението се дължи на размера на частиците.

Изследователите са искали да проверят дали могат да получат същите резултати от полимерен материал.

За да постигне това, екипът започва с конюгирани полимери. Това са полимери със специални свойства, които помагат на материалите да провеждат електричество, като същевременно остават сравнително меки и еластични. Тези материали могат да бъдат направени от всякакви комбинации от молекули.

В този случай те включват дълги молекули поли(2-акриламидо-2-метилпропанесулфонова киселина), къси молекули полианилин и високоефективен проводник – поли(3,4-етилендиокситиофен) полистирен сулфонат (PEDOT:PSS). Не се притеснявайте, ако тези имена не са ви познати. Всичко, което наистина трябва да знаете, е, че комбинацията създава слой, който се деформира или разтяга, когато е подложен на бързи удари.

Колкото по-бързи са ударите, толкова по-твърд става материалът. След това добавянето на 10 % повече PEDOT:PSS подобрило както адаптивната издръжливост, така и проводимостта на материала.

Според изследователите изборът им на два положително заредени и два отрицателно заредени полимера създава материал със супермалки структури, подобни на миниатюрни кюфтета в заплетена купа спагети. Тези „кюфтета“ абсорбират шока от ударите, без да се разпадат напълно, запазвайки материала и неговата проводимост на място.

По-нататъшните експерименти показват, че добавянето на положително заредени наночастици от 1,3-пропандиамин подобрява още повече здравината. Това леко отслабва „кюфтетата“ (така че материалът да може да понесе по-големи удари), но в същото време укрепва „нишките от спагети“ около тях (запазвайки целостта на материала).

Всичко това е доста сложно и техническо, но материалът би трябвало да намери приложение и извън лабораторията, ако може да бъде произведен в голям мащаб. Изследователският екип предлага примери за ленти за смарт часовници, носими сензори и здравни монитори. Например за следене на сърдечносъдовото здраве или за нивото на глюкозата.

Персонализираните електронни протези са друг потенциален случай на употреба и нещо, с което изследователите вече са експериментирали. В крайна сметка от този универсален материал може да се принтират 3D изкуствени крайници.

Това е още едно напомняне за потенциала за откриване на нови материали и усъвършенстване на съществуващи такива, както и за това как те могат да променят нашето бъдеще. От устройствата, които използваме, до дрехите, които носим.

„Има редица потенциални приложения и ние сме развълнувани да видим докъде ще ни доведе това ново, неконвенционално свойство.“

казва ученият Юе Уанг

Изследването беше представено на пролетната среща на Американското химическо дружество през 2024 година.