Наука→Здоровье
Транзистор для рукопожатий
Создан искусственный материал, умеющий регенерировать и «чувствовать»
Фотография: stanford.edu
| Виолетта ФлороваСоздан материал, обладающий не только чувствительностью, но и способностью к многократному и быстрому самовосстановлению при комнатной температуре. Изобретение может быть использовано в создании чувствительного эластичного протеза, способного чинить самого себя.
В лабораториях давно пытаются создать искусственный материал, обладающий свойствами человеческой кожи. Ведь наша кожа не только чувствительна к температуре и механическому давлению, она также регенерирует (восстанавливается) и является защитным барьером. Эти две особенности сумели объединить в одном синтетическом материале, имитирующем свойства кожи, профессор Чженань Бао и ее команда, работающая в Стэнфордском университете.
На данный момент они сумели создать первый материал, способный чувствовать незначительное давление и восстанавливаться при разрыве и разрезе, сообщает журнал Nature Nanotechnology.
За последнее десятилетие технологии искусственной кожи значительно продвинулись вперед, но материалы, способные к самовосстановлению, были очень капризны. Одни требовали высоких температур, другие восстанавливались при комнатной температуре, но изменяли при этом свою механическую или химическую структуру, то есть могли «излечиться» лишь единожды.
И самое важное, что ни один самовосстанавливающийся материал не обладал хорошей электропроводностью. Бенджамин Си-Кон Ти, один из разработчиков проекта, говорит, что «в идеале, для того чтобы внедрить этот материал в мир технологий, он должен проводить электрический импульс».
Исследователи сумели соединить «лучшее из двух миров» — способность к восстановлению у полимеров и проводимость, свойственную металлам.
Основой их разработки стал материал, состоящий из длинных рядов молекул, соединенных относительно слабыми водородными связями. «Эти связи подвижны, что обеспечивает материалу способность к восстановлению», — объясняет Чао Вонг, другой участник исследовательской команды. Эти молекулы легко разъединяются, но когда они снова соединяются, связи реорганизуются. Таким образом, после разрыва структура снова восстанавливается.
В этот эластичный полимер добавили тонкие включения никеля, который увеличил механическую прочность, а также обеспечил электропроводность. Электронные импульсы перескакивают с одного слоя никеля на другой, что ускоряет передачу.
В итоге получился материал с уникальными характеристиками — обычно пластик обладает хорошими изолирующими свойствами, этот же является прекрасным проводником.
Следующая задача, с которой удалось справиться, – восстановление механической прочности и электропроводности после повреждения. Тонкая полоска материала, разрезанная на две части, через несколько секунд после осторожного совмещения разрезанных кусочков восстановила на 75% начальную прочность и электропроводность, а спустя 30 минут полностью регенерировала. Это удивительный факт, ведь даже человеческой коже для заживления требуются дни, отметил Си-Кон Ти.
Даже разрезанный на 50 кусочков, материал смог полностью восстановить свои изначальные качества.
Правильно рассчитанные добавки никеля в полимер делают его электропроводным, не уменьшая при этом способность к репарации. Электроны в таком материале «перепрыгивают» с одного включения никеля на другой — чем дальше включения находятся друг от друга, тем больше энергии приходится тратить электрону, чтобы «допрыгнуть» до следующего. Если включения находятся далеко друг от друга, то электронный импульс ослабевает, и наоборот, сближение никелевых элементов усиливает импульс. Скручивание или сдавливание «синтетической кожи» изменяет расстояние между включениями, и электропроводность меняется, сигнализируя об изменении механического давления — материал становится «чувствительным».
Предполагается, что этой чувствительности хватит для того, чтобы ощутить рукопожатие.
Это позволит выйти на новый уровень не только в пластике кожи, но и в протезировании конечностей, которые можно будет чувствовать. А электронные датчики, сделанные из регенерирующего пластика, не будут нуждаться в дорогостоящем ремонте, и могут быть использованы в труднодоступных местах. Следующим этапом, по словам разработчиков, станет «опрозрачивание» кожи, что позволит использовать ее в электронных устройствах и экранах.
