Ein Vielfraß inspiriertes Material: Selbstheilendes, transparentes, hoch dehnbares Material kann elektrisch aktiviert werden

Wolverine - Vielfrass - Glouton (Finland) (Juli 2019).

Anonim

Wissenschaftler, darunter mehrere von der University of California, Riverside, haben ein transparentes, selbstheilendes, stark dehnbares, leitfähiges Material entwickelt, das elektrisch aktiviert werden kann, um künstliche Muskeln anzutreiben. Es könnte zur Verbesserung von Batterien, elektronischen Geräten und Robotern verwendet werden.

Die Ergebnisse, die heute in der Fachzeitschrift Advanced Material veröffentlicht wurden, sind das erste Mal, dass Wissenschaftler einen Ionenleiter geschaffen haben, also Materialien, durch die Ionen fließen können, die transparent, mechanisch dehnbar und selbstheilend sind.

Das Material hat mögliche Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen. Es könnte Robotern die Fähigkeit geben, sich nach mechanischem Versagen selbst zu heilen; Verlängerung der Lebensdauer von Lithium-Ionen-Batterien in Elektronik- und Elektroautos; und Verbesserung von Biosensoren, die im medizinischen Bereich und in der Umweltüberwachung verwendet werden.

"Das Erstellen eines Materials mit all diesen Eigenschaften ist seit Jahren ein Rätsel", sagte Chao Wang, ein außerordentlicher Professor für Chemie, der einer der Autoren der Studie ist. "Wir haben das gemacht und beginnen jetzt erst, die Anwendungen zu erforschen."

Dieses Projekt vereint die Forschungsbereiche selbstheilende Materialien und Ionenleiter.

Inspiriert durch Wundheilung in der Natur reparieren selbstheilende Materialien Schäden, die durch Abnutzung verursacht werden, und verlängern die Lebensdauer und senken die Kosten von Materialien und Geräten. Aufgrund seiner lebenslangen Liebe zu Wolverine, der Comicfigur, die sich selbst heilen kann, entwickelte Wang ein Interesse an selbstheilenden Materialien.

Ionische Leiter sind eine Klasse von Materialien mit Schlüsselrollen in Energiespeicherung, Solarenergieumwandlung, Sensoren und elektronischen Geräten.

Ein anderer Autor des Artikels, Christoph Keplinger, ein Assistenzprofessor an der Universität von Colorado, Boulder, hat zuvor gezeigt, dass dehnbare, transparente, ionische Leiter verwendet werden können, um künstliche Muskeln anzutreiben und transparente Lautsprecher zu schaffen - Geräte, die mehrere Schlüsseleigenschaften aufweisen des neuen Materials (Transparenz, hohe Dehnbarkeit und Ionenleitfähigkeit) - aber keines dieser Geräte hatte zusätzlich die Fähigkeit, sich selbst von mechanischen Schäden zu heilen.

Die Hauptschwierigkeit ist die Identifizierung von Bindungen, die unter elektrochemischen Bedingungen stabil und reversibel sind. Herkömmlicherweise verwenden selbstheilende Polymere nicht-kovalente Bindungen, was ein Problem erzeugt, da diese Bindungen durch elektrochemische Reaktionen beeinflusst werden, die die Leistung der Materialien verschlechtern.

Wang half dabei, dieses Problem zu lösen, indem er einen Mechanismus namens Ion-Dipol-Wechselwirkungen verwendete, bei dem es sich um Kräfte zwischen geladenen Ionen und polaren Molekülen handelt, die unter elektrochemischen Bedingungen sehr stabil sind. Er kombinierte ein polares, dehnbares Polymer mit einem mobilen, hochionischen Salz, um das Material mit den Eigenschaften zu erhalten, die die Forscher suchten.

Das kostengünstige, einfach herzustellende, weiche, gummiähnliche Material kann das 50-fache seiner ursprünglichen Länge dehnen. Nach dem Schneiden kann es innerhalb von 24 Stunden bei Raumtemperatur vollständig wieder anhaften oder heilen. Nach nur fünf Minuten Heilung kann das Material sogar doppelt so lang gedehnt werden wie ursprünglich.

Timothy Morrissey und Eric Acome, zwei Doktoranden, die mit Keplinger arbeiteten, zeigten, dass das Material dazu verwendet werden könnte, einen sogenannten künstlichen Muskel anzutreiben, der auch als dielektrischer Elastomer-Aktuator bezeichnet wird. Künstlicher Muskel ist ein allgemeiner Begriff für Materialien oder Geräte, die sich aufgrund eines externen Reizes wie Spannung, Strom, Druck oder Temperatur reversibel zusammenziehen, ausdehnen oder drehen können.

Der dielektrische Elastomer-Aktuator besteht eigentlich aus drei einzelnen Polymerstücken, die übereinander gestapelt sind. Die oberen und unteren Schichten sind das neue Material, das am UC Riverside entwickelt wurde, das Elektrizität leiten kann und selbstheilbar ist, und die mittlere Schicht ist eine transparente, nicht leitende, gummiähnliche Membran.

Die Forscher verwendeten elektrische Signale, um den künstlichen Muskel zu bewegen. Genauso wie sich ein menschlicher Muskel (wie ein Bizeps) bewegt, wenn das Gehirn ein Signal an den Arm sendet, reagiert der künstliche Muskel auch, wenn er ein Signal empfängt. Am wichtigsten ist, dass die Forscher zeigen konnten, dass die Fähigkeit des neuen Materials, sich selbst zu heilen, genutzt werden kann, um ein herausragendes Überlebensmerkmal der Natur nachzuahmen: die Wundheilung. Nachdem Teile des künstlichen Muskels in zwei getrennte Stücke geschnitten worden waren, heilte das Material, ohne auf äußere Reize angewiesen zu sein, und der künstliche Muskel kehrte auf das gleiche Leistungsniveau zurück, wie vor dem Schneiden.

Das Papier heißt "Ein transparenter, selbstheilender, hoch dehnbarer Ionenleiter".

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