Yu (Jessica) Wang
Naukowcom zależy na opracowaniu nowych materiałów do produkcji lekkiej, elastycznej i niedrogiej elektroniki użytkowej, tak aby pewnego dnia upuszczenie naszych smartfonów nie spowodowało nieodwracalnych uszkodzeń. Zespół z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Merced wyprodukował przewodzące folie polimerowe, które w odpowiedzi na uderzenie stają się sztywniejsze, a nie rozpadają się, podobnie jak zmieszanie skrobi kukurydzianej i wody w odpowiednich ilościach tworzy zawiesinę, która jest płynna przy powolnym mieszaniu, ale twardnieje po uderzeniu (tj. „oobleck”). Opisali swoją pracę w przemówieniu wygłoszonym w tym tygodniu na spotkaniu Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego w Nowym Orleanie.
„Elektronika oparta na polimerach jest bardzo obiecująca” – powiedział De Wu, badacz ze stopniem doktora w dziedzinie inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles. „Chcemy, aby elektronika polimerowa była lżejsza, tańsza i inteligentniejsza. [With our] System, [the polymers] Może stać się sztywniejszy i mocniejszy, gdy wykonasz nagły ruch, ale jest elastyczny, gdy wykonujesz codzienny, rutynowy ruch. Nie są ani stale sztywne, ani stale elastyczne. Reagują tylko na ruch twojego ciała.”
Jak wspomniano wcześniej, wykonanie ooblecka jest proste i łatwe. Zmieszaj jedną część wody z dwiema częściami skrobi kukurydzianej, dodaj dla zabawy odrobinę barwnika spożywczego i otrzymasz Oobleck, który zachowuje się albo jako ciecz, albo jako ciało stałe, w zależności od zastosowanego nacisku. Mieszaj powoli i stale, gdy jest płynny. Uderz mocno, a pod Twoją pięścią stanie się solidniejszy. Jest to klasyczny przykład płynów nienewtonowskich.
W Idealny płynLepkość zależy w dużej mierze od temperatury i ciśnienia: woda będzie nadal płynąć niezależnie od działających na nią innych sił, takich jak mieszanie lub mieszanie. W płynach nienewtonowskich lepkość zmienia się w odpowiedzi na przyłożone ciśnienie lub siłę ścinającą, przekraczając w ten sposób granicę między zachowaniem płynu i ciała stałego. Przesuwanie kubka z wodą wytwarza siłę ścinającą, a nożyce wodne odsuwają się. Lepkość pozostaje niezmieniona. Jednak w przypadku płynów nienewtonowskich, takich jak nieprzezroczysty, lepkość zmienia się po przyłożeniu siły ścinającej.
Na przykład keczup jest nienewtonowskim płynem gęstym przy ścinaniu i jest to jeden z powodów, dla których uderzenie w dno butelki nie powoduje szybszego wypływu ketchupu; Przyłożenie siły zwiększa lepkość. Jogurt, rosół, błoto i budyń to inne przykłady. Podobnie jest z Oobleck. (Nazwa pochodzi z książki dla dzieci dr. Seussa z 1949 r. pt. Bartłomieja i Ooblecka.) W przeciwieństwie do tego, farba niekapiąca wykazuje efekt „rozrzedzania pod wpływem ścinania”, można ją łatwo zetrzeć pędzlem, ale po nałożeniu na ścianę staje się bardziej lepka. W ubiegłym roku naukowcy z Massachusetts Institute of Technology Potwierdził to Tarcie między cząstkami miało kluczowe znaczenie w przejściu ze stanu ciekłego do stałego, wyznaczając punkt zwrotny, gdy tarcie osiąga określony poziom i nagle wzrasta lepkość.
Wu pracuje w laboratorium naukowca zajmującego się materiałami Yu (Jessica) Wang, który postanowił spróbować naśladować zachowanie ooblecka w materiale polimerowym, zwiększające jego grubość przy ścinaniu. Elastyczne polimerowe elementy elektroniczne są zwykle wytwarzane przez połączenie sprzężonych polimerów przewodzących, które są długie i cienkie, jak spaghetti. Jednak materiały te ulegną rozkładowi w odpowiedzi na szczególnie duże i/lub gwałtowne uderzenia.
Dlatego Wu i Wang postanowili połączyć polimery przypominające spaghetti z krótszymi cząsteczkami polianiliny i poli(3,4-etylenodioksytiofenem) sulfonianu polistyrenu, czyli PEDOT:PSS, czyli w sumie czterema różnymi polimerami. Dwa z czterech mają ładunek dodatni, a dwa mają ładunek ujemny. Wykorzystali tę mieszaninę do wytworzenia rozciągliwych folii, a następnie przetestowali właściwości mechaniczne.
Folie zachowują się podobnie jak oobleck, odkształcając się i rozciągając w odpowiedzi na uderzenie, a nie rozpadając się. Wang porównał tę konstrukcję do dużej miski spaghetti i klopsików, ponieważ dodatnio naładowane cząsteczki nie lubią wody i dlatego łączą się w mikroskopijne struktury przypominające kulki. Ona i Wu sugerują, że te mikrostruktury pochłaniają energię zderzenia i spłaszczają się bez rozpadu. Aby uzyskać taki efekt, nie potrzeba dużo PEDOT:PSS: wystarczyło zaledwie 10 procent.
Dodatkowe eksperymenty pozwoliły zidentyfikować skuteczniejszy dodatek: dodatnio naładowane nanocząstki 1,3-propandiaminy. Cząstki te mogą osłabić interakcje polimerowych „klopsów” na tyle, że mogą się dalej odkształcać w odpowiedzi na uderzenia, wzmacniając jednocześnie interakcje między długimi, usieciowanymi polimerami przypominającymi spaghetti.
Następnym krokiem jest nałożenie folii polimerowych na urządzenia elektroniczne do noszenia, takie jak paski i czujniki do inteligentnych zegarków, a także elastyczną elektronikę do monitorowania stanu zdrowia. Laboratorium Wanga przeprowadziło również eksperymenty z nową wersją materiału, która byłaby kompatybilna z drukiem 3D, otwierając więcej możliwości. „Istnieje wiele potencjalnych zastosowań i nie możemy się doczekać, dokąd zaprowadzi nas ta niekonwencjonalna nowa nieruchomość”. powiedział Wang.