Acest material electronic elastic se întărește la impact la fel ca „oobleck”

Oamenii de știință sunt dornici să dezvolte noi materiale pentru electronice ușoare, flexibile și accesibile, astfel încât, într-o zi, căderea smartphone-urilor noastre să nu aibă ca rezultat daune ireparabile. O echipă de la Universitatea din California, Merced, a realizat folii polimerice conductoare care de fapt se întăresc ca răspuns la impact, mai degrabă decât să se rupă, la fel cum amestecarea amidonului de porumb și a apei în cantități adecvate produce o suspensie care este lichidă când este amestecată încet, dar se întărește atunci când îl dai cu pumnul (adică „oobleck”). Ei și-au descris activitatea într-o discuție la reuniunea de săptămâna aceasta a Societății Americane de Chimie din New Orleans.

„Electronica pe bază de polimeri este foarte promițătoare”, a spus Di Wu, un post-doctorat în știința materialelor la UCM. „Vrem să facem electronicele polimerice mai ușoare, mai ieftine și mai inteligente. [With our] sistem, [the polymers] poate deveni mai dur și mai puternic atunci când faci o mișcare bruscă, dar… flexibil atunci când faci doar mișcarea zilnică, de rutină. Ele nu sunt constant rigide sau constant flexibile. Ei doar răspund la mișcarea corpului tău.”

La fel de am raportat anterior, oobleck este simplu și ușor de făcut. Amestecă o parte apă cu două părți amidon de porumb, adaugă o strop de colorant alimentar pentru a te distra și ai oobleck, care se comportă fie ca lichid, fie ca solid, în funcție de cât de mult stres este aplicat. Se amestecă încet și constant și devine lichid. Loviți-l puternic și devine mai solid sub pumnul dvs. Este un exemplu clasic de fluid non-newtonian.

În un fluid ideal, vâscozitatea depinde în mare măsură de temperatură și presiune: apa va continua să curgă indiferent de alte forțe care acționează asupra ei, cum ar fi agitarea sau amestecarea. Într-un fluid non-newtonian, vâscozitatea se modifică ca răspuns la o deformare aplicată sau la o forță de forfecare, depășind astfel granița dintre comportamentul lichid și cel solid. Agitarea unei cani de apă produce o forță de forfecare, iar apa se forfecă pentru a se îndepărta din drum. Vâscozitatea rămâne neschimbată. Dar pentru fluidele non-newtoniene, cum ar fi oobleck, vâscozitatea se modifică atunci când se aplică o forță de forfecare.

Ketchup-ul, de exemplu, este un fluid non-newtonian care se îngroașă prin forfecare, care este unul dintre motivele pentru care lovirea cu fundul sticlei nu face ca ketchup-ul să iasă mai repede; aplicarea forței crește vâscozitatea. Iaurtul, sosul, noroiul și budinca sunt alte exemple. Și la fel și oobleck. (Numele derivă dintr-o carte pentru copii Dr. Seuss din 1949, Bartolomeu și Oobleck.) În schimb, vopseaua care nu se scurge prezintă un efect de „subțiere”, periând cu ușurință, dar devenind mai vâscoasă odată ce este pe perete. Anul trecut, oamenii de știință de la MIT a confirmat că frecarea dintre particule a fost critică pentru acea tranziție de la lichid la solid, identificând un punct de vârf atunci când frecarea a atins un anumit nivel și vâscozitatea a crescut brusc.

Wu lucrează în laboratorul de cercetător al materialelor Yue (Jessica) Wang, care a decis să încerce să imite comportamentul de îngroșare prin forfecare al oobleck într-un material polimeric. Electronica polimerică flexibilă este de obicei realizată prin legarea împreună a polimerilor conductivi conjugați, care sunt lungi și subțiri, precum spaghetele. Dar aceste materiale se vor rupe în continuare ca răspuns la impacturi deosebit de mari și/sau rapide.

Așa că Wu și Wang au decis să combine polimerii de tip spaghete cu molecule mai scurte de polianilină și poli(3,4-etilendioxitiofen) polistiren sulfonat sau PEDOT:PSS – patru polimeri diferiți în total. Două dintre cele patru au o sarcină pozitivă, iar două au o sarcină negativă. Au folosit acel amestec pentru a face filme elastice și apoi au testat proprietățile mecanice.

Iată, filmele s-au comportat foarte mult ca un oobleck, deformându-se și întinzându-se ca răspuns la impact, mai degrabă decât să se destrame. Wang a asemănat structura cu un castron mare de spaghete și chifteluțe, deoarece moleculelor încărcate pozitiv nu le place apa și, prin urmare, se grupează în microstructuri asemănătoare mingii. Ea și Wu sugerează că acele microstructuri absorb energia de impact, aplatindu-se fără a se rupe. Și nu este nevoie de mult PEDOT:PSS pentru a obține acest efect: doar 10% a fost suficient.

Experimente ulterioare au identificat un aditiv și mai eficient: nanoparticulele de 1,3-propandiamină încărcate pozitiv. Aceste particule pot slăbi interacțiunile polimerilor „chifteluțe” doar suficient pentru a se putea deforma și mai mult ca răspuns la impacturi, întărind în același timp interacțiunile dintre polimerii lungi, asemănător spaghetelor.

Următorul pas este aplicarea filmelor lor polimerice pe dispozitive electronice portabile, cum ar fi benzi și senzori pentru ceasuri inteligente, precum și electronice flexibile pentru monitorizarea sănătății. Laboratorul lui Wang a experimentat și o nouă versiune a materialului care ar fi compatibilă cu imprimarea 3D, deschizând și mai multe oportunități. „Există o serie de aplicații potențiale și suntem încântați să vedem unde ne va duce această proprietate nouă, neconvențională”, spuse Wang.