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, самовосстанавливающейся электронике и медицинских устройствах. Результаты исследования опубликованы в майском номере журнала Nature Nanotechnology.
В этой работе ученые объединили свой опыт в фундаментальной науке и технике, чтобы разработать метод, который базируется на равномерном распределении эвтектического галлий-индия (EGaIn) – металлического сплава, становящегося жидким при температуре окружающей среды – в эластомере. Это привело к созданию нового материала – очень эластичного, мягкого и многофункционального композита, который имеет высокий уровень термостабильности и электрической проводимости.
Кармел Маджиди, профессор машиностроения в Университете Карнеги Меллона и директор лаборатории мягких машин, провел обширное исследование по разработке новых мягких материалов, которые можно использовать в биомедицине и других сферах. В рамках этого исследования он разработал резиновые композиты, усеянные наноскопическими каплями жидкого металла. Материалы выглядели многообещающе, но техника механического смешивания, которую он использовал для объединения компонентов, приводила к появлению веществ с непоследовательными составами и, как следствие, непоследовательными свойствами.
Чтобы преодолеть эту проблему, Маджиди обратился к химику по полимерам 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, который позволяет ученым соединять мономеры по частям, что приводит к получению высокоэффективных полимеров с особыми свойствами.
«Новые материалы считаются эффективными, только если они надежны. Вам нужно быть уверенным в том, что ваш материал каждый раз будет работать одинаково, прежде чем вы сможете превратить его в коммерческий продукт», – отметил Матяшевский. «ATRP зарекомендовал себя как мощный инструмент для создания новых материалов, которые имеют устойчивые, надежные структуры и уникальные свойства».
Маджиди, Матяшевский и профессор материаловедения и инженерии Майкл Р. Боксталлер использовали ATRP для прикрепления мономерных кистей к поверхности нанокапелек EGaIn. Щетки соединили оба вещества, образовав прочные связи с каплями. В результате жидкий металл равномерно распределился по всему эластомеру, позволив создать материал с высокой эластичностью и теплопроводностью.
Матяшевский также отметил, что после пересадки полимера температура кристаллизации EGaIn снизилась с 15 до -80 градусов Цельсия, расширяя жидкую фазу капли, а, следовательно, и ее свойства жидкости.
«Теперь мы можем суспендировать жидкий металл практически в любом полимере или сополимере, чтобы адаптировать свойства материала к различным условиям использования и улучшить его характеристики», – добавил Маджиди.
Исследователи предполагают, что этот процесс может быть использован для объединения различных полимеров с жидким металлом, а, контролируя концентрацию жидкого металла, они смогут управлять свойствами создаваемых материалов. Число возможных комбинаций огромно, но исследователи полагают, что с помощью искусственного интеллекта их подход может быть использован для создания эластомерных композитов на заказ, которые будут иметь индивидуальные качества. Результатом станет новый класс материалов, которые можно будет применять в самых разных областях, включая мягкую робототехнику и биосовместимые медицинские устройства.