Elektriskt ledande, självhelande material

En grupp forskare från University of Texas i Austin, USA, under ledning av Yu Guihua, skapade en flexibel elektrisk krets baserad på en speciell gel, som, om den skärs i två delar, är helt självhelande och återupptar sin ursprungliga elektriska ledningsförmåga.

Den nya gelén har en kombination av egenskaper som inte tidigare möts tillsammans, det är flexibilitet, hög elektrisk ledningsförmåga och förmågan att självreparera vid rumstemperatur. En sådan lösning öppnar upp ett stort antal möjliga applikationer: flexibel elektronik, robotik, elektriska batterier och till och med mjukt konstläder och biomimetiska proteser.

Egenskapen hos den nya gelén tillhandahålls av två gelliknande beståndsdelar av dess substans: en supramolekylär gel (eller "supergel") och en matris av en ledande polymerhydrogel i vilken den supramolekylära gelén införs. Så de fysiska och kemiska egenskaperna hos varje komponent kombineras.

Introducerad supergel ger förmågan att självhälsa, tack vare dess supramolekylära kemiska struktur, vars speciella är att inte enskilda molekyler, utan stora molekylära föreningar utgör strukturen i strukturen.

Dessa stora substrukturer hålls samman av krafter som är mycket mindre än enskilda molekyler, så deras interaktioner, såsom separering, är lätt reversibla. Det visar sig "dynamiskt lim", som kan återförena sig själv under separationen.

Under tiden tillhandahåller den ledande hydrogelen, på grund av dess tredimensionella struktur, konduktivitet. Den tredimensionella strukturen underlättar transport av elektroner. Dessutom förbättrar hydrogelen, liksom ryggraden, styrkan och elasticiteten hos kompositgelen. När en supergel införs i hydrogelmatrisen flyter den runt hydrogeln på ett sådant sätt att den bildar ett andra nätverk, vilket ytterligare förbättrar hybridgelens integritet.

Forskare genomförde sina experiment för att kontrollera elektriska egenskaper på tunna filmer av en hybridgel avsatt på flexibla plastsubstrat. Studier har visat att konduktiviteten för den nya gelén är en av de högsta bland ledande geler och förblir så tack vare gelens förmåga att självreparera även efter upprepade böjningar och sträckningar.

Forskare har visat att om en elektrisk krets av en hybridgel klipps, kommer den efter en minut att återhämta sig, och den elektriska ledningsförmågan kommer att vara densamma som före skärningen. Detta händer även efter upprepad skärning på samma plats.

Enligt forskare kommer hybridgelén som de uppfann hittar många tillämpningar, upp till implanterbara biosensorer, där själhelande elektroder helt enkelt är nödvändiga för att säkerställa enhetens hållbarhet. Gelén kan lätt användas för att stärka elektroderna litiumjonbatterier hög kapacitet.

Utvecklarna av den nya ledande gelén är övertygade om att deras strategi för att kombinera supramolekylär kemi med polymernanovetenskap skapar en strategi för att utveckla nya självhelande material. De planerar att utforska de grundläggande mekanismerna för självhelande för att bättre förstå nyckelfaktorerna beträffande joner av olika metaller, molekylers geometri, interaktionen av supramolekyler med olika lösningsmedel och hur detta påverkar egenskaperna för självhelande. Detta kommer att bidra till förbättring av nyutvecklade material.

Gruppschefen, Yu.Guihua, konstaterade att särskilda ansträngningar kommer att ägnas åt att utveckla storskaliga strategier för att producera självhelande ledande geler med bättre egenskaper, såsom mekanisk styrka och elasticitet, så att användningen av ledande självhelande geler blir potentiellt möjlig inom många olika tekniska områden, inklusive elektronik, energi, säkerhet miljö och hälsa.