Стэнфордские химики разработали материал, который растягивается в 100 раз от изначального размера, а затем сжимается назад без потери свойств. Он также реагирует на электрическое поле и восстанавливается после повреждений.
Уникальные свойства нового эластомера открывают потрясающие возможности по его использованию в различных областях промышленности, в том числе в робототехнике и медицине, например, как основа для искусственной кожи и искусственных мышц.
Искусственные мышцы и сейчас могут использоваться в потребительской электронике и робототехнике, но малейшие дефекты и повреждения резко снижают эластичность материала. Существующие эластомеры обычно растягиваются всего в два-три раза. К тому же, они не могут восстанавливаться после проколов или царапин без постороннего вмешательства (например, нагрева). Новый эластомер лишён всех этих недостатков, говорит профессор химической инженерии Стэнфордского университета Женан Бао.
Авторы изобретения объясняют, за счёт чего полимер способен растягиваться на такое невероятное расстояние. Как и самозаживление, это свойство объясняется кардинальным улучшением в процессе образования поперечных межмолекулярных связей (cross-linking) — особых химических связей между молекулами полимера. Во время этого процесса линейные цепи молекул соединяются в сетчатую структуру, похожую на рыболовную сеть.
Для улучшения свойств материала учёные сначала спроектировали специальные органические молекулы, которые прикрепляются к коротким нитям полимеров в их поперечных связях, создавая структуры под названием лиганды. Эти лиганды затем объединяются, формируя более длинные полимерные цепочки, словно пружинные катушки с присущей им растяжимостью.
Потом в материал добавляют ионы металлов, которые химически связываются с лигандами. В итоге, когда полученный материал растягивается, узлы в структуре ослабляются — и позволяют лигандам отделяться друг от друга. Если натяжение пропало, то близость металлических ионов и лигандов снова стягивает сетку. Каждый ион металла связан как минимум с двумя лигандами, и даже если одна из связей будет потеряна в результате натяжения или повреждения, он потом способен восстановить эту связь, если окажется достаточно близко к лиганду.
Химическая структура материала объясняет, почему он самостоятельно восстанавливает форму после повреждений. Самозаживление происходит на температурах от -20°C и выше, специальный нагрев не требуется.
Физические свойства эластомера — его растяжимость или скорость заживления — можно варьировать, изменяя количество и тип добавляемых ионов металла в органику. Благодаря металлу полимер также реагирует на электрическое поле, то есть такие искусственные мышцы могут управляться электронными импульсами от компьютера.
Материал отлично подходит для изготовления искусственной кожи, которую можно натягивать на протезы людей с потерянными конечностями. Конечно же, самовосстанавливающийся эластомер пригоден для покрытия корпусов и чехлов носимой электроники, смартфонов, медицинских приборов, имплантатов и др.
Научная работа Женан Бао с коллегами опубликована в журнале Nature Chemistry (doi:10.1038/nchem.2492, pdf).
Комментарии (41)
Radmin
22.04.2016 17:33+1Если материал растягивается, а затем возвращает исходную форму, то в деформированном состоянии он постоянно находится в напряжении. При том, если соединить 2 кусочка этого материала, он "заживёт" и станет единым целым в стабильном состоянии.
Может быть кто-то пояснит мне, почему в таком случае этот растянутый материал, если оставить его в таком виде на длительное время, не начнёт считать, что это его нормальное состояние?
superhimik
22.04.2016 18:01Если вы посмотрите на диаграмму растяжения e), то поймёте, что вы частично правы — деформации обратимы у данного материала только до определённого предела, так как происходит формирование поперечных сшивок в новом растянутом состоянии, что «замораживает» деформацию
Red_Lion
22.04.2016 21:52Пока он не теряет способность к самовосстановлению, то нет — растяжение достигается за счет разрыва части химических связей.
edd_k
22.04.2016 19:09В заголовке «растягивается ДО 100x» и тут же далее на картинке «растянулся на 10000%». И как только стэнфордские химики выживают, допуская такие неточности?!..
А если серьезно, за всю взрослую жизнь так и не смог привыкнуть к выражению в процентах величин больше чем «в несколько раз». Мало того, что нужно мысленно отсекать лишние нули (включая те два, которые в символе %), так еще и не забывать отнимать/прибавлять единичку… Что с успехом и делают постоянно те, кто любит переводить в проценты.
Никто не натыкался на более-менее серьезные обсуждения/размышления по поводу того, почему этими процентами иногда пользуются в широком (на мой взгляд, не подходящем для них) диапазоне?
P.S.: Извиняюсь за оффтоп.
iOrange
22.04.2016 22:36100 * 100 = 10000
VaskivskyiYe
22.04.2016 22:45+2Комментатор выше имел ввиду, что «на 10000%» — это значит в 101 раз (100% начальных + 10000% на которые растянули), а не в 100 раз (100% * 100)
edd_k
22.04.2016 23:34+1Именно. А в оригинале было "… to 10'000%", т.е. в оригинале вполне могли иметь ввиду «до 100 раз» (не уверен, что это так или что так корректно в английском). Но в переводе получилось именно «в 101 раз». Да и в подавляющем большинстве случаев используют так же — «нечто увеличилось на X%», что крайне неудобно при больших круглых числах, от которых следует отнимать единицу. Вот и интересно, почему не пишут просто «в Y раз».
Тем более, что добрая половина людей эту "± единицу" вообще не ощущают и не учитывают в итоге.
SkyHunter
22.04.2016 19:10+1Одобряет
alexvoz
22.04.2016 21:52+2Сколько уже было статей о революционных материалах и почти в каждой пишут что то на подобии "… открывают потрясающие возможности по его использованию в различных областях промышленности, в том числе в робототехнике и медицине...", но ничего не слышно о применении их на практике.
grondek
22.04.2016 22:34+1Потому что надо еще дешевую и адекватную технологию производства в промышленных масштабах придумать. А экспериментальные образцы на то и экспериментальные, что получены неким шаманством с исходными веществами и, в общем-то, кустарным способом.
Gozdi
23.04.2016 12:19В части самовосстановления тема хорошо отработана.
Чистая наука выдает на гора «кунштюки» регулярно, потом возникает вопрос, куда же применить, а удачные разработки по ТЗ заказчика внедряются без шума и пыли.
Gozdi
22.04.2016 21:52примечание к «Существующие эластомеры обычно растягиваются всего в два-три раза.»
Массовые полиуретаны с относительным удлинением 550% и это не рекорд, а средненькая такая норма.
Самозаживление (ионная сшивка) и температура, тут есть вопрос в характере повреждения. Если порезать на холодную, восстановления не произойдет, в месте расшивки должна присутствовать температура, отличная от температуры материала.
В формуле есть каучук на основе силоксана (PDMS)
Kazikin
24.04.2016 10:47Если у этого материала высокая электрическая прочность, то вот это его свойство:
«Он также реагирует на электрическое поле и восстанавливается после повреждений.»
будет очень кстати. Самовосстанавливающаяся твердая изоляция — это круто.
lonelymyp
24.04.2016 21:33Производители воздушных шариков смотрят с волнением.
шарики из такого материала смогут надуваться гораздо больше, а в случае прокола, будут просто сдуваться и тут же самозалечиваться
aydahar
… извиняюсь, но:
Вот бы рогатку из него сделать!
tuxx
Или резиномотор для простеньких моделек самолетов
andetlt
Tesla model R с резиномотором, запас хода 500 км. Закручивается дома от электродвигателя.
tuxx
Вперед за патентом, а потом на кикстартер
PoliTeX
Один держит, а второй бежит в соседний двор, чтобы натянуть?
OneOfUs
Зато «снаряд» будет пробивать не только стекло, но и крылья автомобилей
PoliTeX
Не знаю, про упругость в статье ничего не нашел.
ksider
а как искали? там диаграммы напряжение-деформация картинками вставлены, а про упргую часть комплесного модуля в тексте написано.
PoliTeX
Извиняюсь, в посте, а не статье. Статья мне не доступна.
ksider
в псоте ссылка на пдф, или не работает?
https://www.dropbox.com/s/yba320q9d3njlos/li2016.pdf?dl=0
PoliTeX
Почитал, НЯП без генератора высокого напряжения рогатка не получится?
ksider
там напряжения не накапливаются нигде, энергии для запуска не будет.
impetus
Скорее всего он очень медленно восстанавливает состояние. Сутки например. И скорее всего — не создаёт усилия, т.е это скорее что-то, чем-то похоже на обратимую пластическую дефомацию.