Электропроводящий самовосстанавливающийся материал

Группа ученых из Техасского университета в Остине, США, под руководством Ю.Гуйхуа, создали гибкую электрическую цепь на основе особого геля, которая, если ее разрезать на две части, полностью самовосстанавливается, и возобновляет свою исходную электропроводимость.

Новый гель обладает комбинацией свойств, которые раньше не встречались совместно, это гибкость, высокая электропроводимость, и способность самовосстановления при комнатной температуре. Такое решение открывает широкий спектр возможных применений: гибкая электроника, робототехника, электрические аккумуляторы, и даже мягкая искусственная кожа и биомиметические протезы.

Свойство нового геля обеспечивается за счет двух гелеобразных составляющих его веществ: супрамолекулярного геля (или «supergel»), и матрицы проводящего полимерного гидрогеля, в который вводится супрамолекулярный гель. Так физические и химические особенности каждого компонента объединяются.

Введенный супергель дает способность к самовосстановлению, благодаря своей супрамолекулярной химической структуре, особенность которой в том, что составными элементами структуры выступают не отдельные молекулы, а большие молекулярные соединения.

Эти большие подструктуры удерживаются вместе силами значительно меньшими, чем отдельные молекулы, поэтому их взаимодействия, такие как разъединение, легко обратимы. Получается «динамический клей», способный сам себя воссоединить при разделении.

Между тем, проводящий гидрогель, благодаря своей трехмерной структуре, обеспечивает проводимость. Трехмерная структура способствует транспортировке электронов. К тому же гидрогель, подобно позвоночнику, усиливает прочность и эластичность составного геля. Когда супергель вводят в матрицу гидрогеля, он обтекает гидрогель таким образом, что формирует собой вторую сеть, еще более усиливающую цельность гибридного геля.

Свои эксперименты по проверке электрических свойств, ученые проводили на тонких пленках гибридного геля, нанесенных на гибкие пластиковые подложки. Исследования показали, что проводимость нового геля является одной из самых высоких среди проводящих гелей, и остается таковой благодаря способности геля к самовосстановлению даже после многократных изгибов и растяжений.

Ученые показали, что если электрическую цепь, изготовленную из гибридного геля разрезать, то уже через минуту она сама восстановится, и электропроводность будет такой же, как и до разреза. Так происходит даже после многократного разрезания в одном и том же месте.

По мнению исследователей, изобретенный ими гибридный гель найдет множество применений, вплоть до имплантируемых биосенсоров, где самовосстанавливающиеся электроды просто необходимы для обеспечения устройствам долговечности. Гель может легко подойти для усиления электродов литий-ионных батарей большой емкости.

Разработчики нового проводящего геля уверены, их подход по объединению надмолекулярной химии с полимерной нанонаукой создает стратегию для разработки новых самовосстанавливающихся материалов. Они планируют исследовать фундаментальные механизмы самовосстановления, чтобы лучше понять ключевые факторы, касаемо ионов различных металлов, геометрии молекул, взаимодействия супрамолекул с различными растворителями, и как это влияет на характеристики самовосстановления. Это поспособствует улучшению вновь разрабатываемых материалов.

Глава группы Ю.Гуйхуа отметил, что особые усилия будут посвящены разработке масштабных стратегий получения самовосстанавливающихся проводящих гелей с лучшими свойствами, такими как механическая прочность и эластичность, чтобы применение проводящих самовосстанавливающихся гелей стало потенциально возможным во множестве различных технологических областей, включая электронику, энергетику, охрану окружающей среды и здоровья.