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触摸敏感的塑料皮肤自愈

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没有人知道像研究人员努力模仿它的人类皮肤的显着属性。不仅是我们的皮肤敏感 - 发送有关压力和温度的大脑的精确信息,但它也有效地愈合,以保护对世界的保护屏障。将这两个特征结合在一个合成材料中,为斯坦福化学工程学院教授Zhenan Bao及其团队带来了令人兴奋的挑战。

现在,他们已经成功地制造了第一种材料,既可以感受微妙的压力,也可以在撕裂或割伤时自行愈合。他们的发现将在11月11日发表在 Nature Nanotechnology 杂志上。

该研究的主要研究人员Bao说,在过去的十年中,合成皮肤方面已经有了重大进展,但是即使是最有效的自愈材料也有很大的缺点。有些必须暴露在高温下,使其不适合日常使用。其他人可以在室温下愈合,但修复切割改变了他们的机械或化学结构,所以他们可以医治自己只有一次。最重要的是,没有自修复材料是一个很好的电导体,这是一个重要的属性。

该项目的研究人员本杰明Chee-Keong TEE说:“为了将这种材料与数字世界连接起来,理想的情况是希望它具有导电性。

一个新的配方

研究人员成功地将两种成分结合起来,让宝被称为“两全其美” - 塑料聚合物的自我修复能力和金属导电性。

他们从塑料开始与由氢键连接的分子长链组成 - 一个原子的正电荷区域和下一个负电荷区域之间的相对较弱的吸引力。研究小组的另一位成员Chao Wang说:“这些动态的结合使材料能够自我愈合。他说,这些分子很容易分裂,但是当它们重新连接时,这些键就重新组织起来,并在材料受损后恢复其结构。其结果是一种可弯曲的材料,即使在室温下,感觉有点像冰箱里的盐水太妃糖。

研究人员给这种弹性聚合物添加了镍的微小颗粒,增加了其机械强度。镍颗粒的纳米级表面是粗糙的,这对于使材料导电是重要的。 Tee将这些表面特征与“小型弯刀”进行了比较,每个突起边缘集中了一个电场,使电流更容易从一个颗粒流向下一个颗粒。

结果是具有不寻常特征的聚合物。 Bao说:“绝大多数塑料都是很好的绝缘体,但这是一个很好的导体。

回弹

下一步是看材料在损坏后如何恢复其机械强度和电导率。

研究人员拿出一小块材料,用手术刀切成两半。研究人员轻轻地将这些碎片压在一起几秒钟后,发现这种材料的原始强度和电导率回升了75%。材料在大约30分钟内恢复了接近100%。 “即使是人体皮肤也需要数天才能痊愈。所以我觉得这很酷,“Tee说。更重要的是,同样的样品可以在同一个地方反复切割。经过50次切割和修复,样品经受了与原来一样的弯曲和拉伸。

材料的复合性质给团队带来了新的工程挑战。 Bao和她的合着者发现,虽然镍是使材料强大和导电的关键,但它也妨碍了氢键的重新连接,阻碍了愈合过程。 Bao说,对于材料的后代,团队可能会调整纳米粒子的尺寸和形状,甚至是聚合物的化学性质,以避免这种交换。不过,王先生说这些自愈的程度 性能确实令人惊讶:“在我们的工作之前,很难想象这种柔软的导电材料也可以自我修复。”

对触摸敏感

团队还探讨了如何使用这种材料作为传感器。对于构成电流的电子来说,试图通过这种材料就好比试图通过从石头到石头的跳跃来穿过一条小溪。这种比喻中的石头就是镍粒子,它们之间的距离决定了电子需要多少能量才能将自己从一块石头上移开并转移到另一块石头上。

扭曲或对人造皮肤施加压力会改变镍颗粒之间的距离,因此电子可以轻松移动。这些细微的电阻变化可以转换成关于皮肤压力和张力的信息。 T恤说,材料是足够敏感的,以检测握手的压力。 Bao补充说,因此,它可能是修复术的理想选择。该材料不仅对向下的压力敏感,而且对弯曲也很敏感,因此假肢可能有一天能够记录关节的弯曲程度。

Tee指出了其他商业可能性。涂覆在这种材料中的电气设备和电线可以自行修理并且再次获得电力而不会造成昂贵和困难的维护,特别是在难以到达的地方,例如在建筑物墙壁或车辆内部。 Bao说:“接下来,团队的目标是使材料具有弹性和透明性,因此它可能适用于包装和叠放电子设备或显示屏。



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