Пищевая добавка для супов помогла создать растягивающуюся электронику

Стэнфордские химики изобрели новый пластичный электропроводный материал, который растягивается как резина и хорошо проводит электричество по сравнению с другими эластичными проводниками. При этом материал сохраняет способность проводить электричество даже при растяжении материала в шесть раз от изначального размера. Описание работы опубликовано в журнале Science Advances.

Гибкие, растяжимые электропроводные материалы нужны во множестве медицинских приложений, например таких, как имплантируемые электроды для измерения активности мозга. В новой работе инженеры-химики показали, как можно превратить хрупкий пластик в гибкий резиноподобный материал с сохранением электропроводных свойств. В результате они получили мягкий, гибкий электропроводный полимер, который можно использовать в качестве искусственной кожи и имплантов благодаря его безопасности и биосовместимости.

В качестве основы для нового материала химики взяли пластик, который состоит из двух связанных полимеров — Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS) с двумя важными свойствами: высокой электропроводностью и биосовместимостью. Проблема заключалась в хрупкости материала: он терял свои свойства даже при пятипроцентном растяжении. Исследователям нужно было найти правильную дополнительную молекулярную структуру, которая предотвратила бы кристаллизацию материала и увеличила его гибкость, сохранив при этом исходные электропроводные свойства. Выбирая добавки к исходному материалу ученые обратили внимание на ионные жидкости из-за большого количества коммерчески доступных образцов.

Ученые протестировали около двадцати различных составов и остановились на нескольких веществах, некоторые из которых используются в пищевой промышленности для придания густоты продуктам (в частности, супам): додецилбензолсульфоновая кислота и ее натриевая соль, а также диоктилсульфосукцинат натрия. Тем не менее, наилучшего результата ученым удалось добиться, используя бис(трифторметан)сульфонимид лития, который не является пищевой добавкой. Вышеуказанные соединения не только сделали материал хорошо растяжимым, но и сохранили электропроводимость. Благодаря добавкам хрупкая молекулярная структура исходного полимера стала мягче, а строение материала стало напоминало собой рыболовную сеть с нитями и ячейками — это позволило ему свободно растягиваться и деформироваться.

Тестирование новой полимерной пленки показало, что ее удельная электропроводность сравнима с лучшими значениями, достигаемыми полимерами PEDOT:PSS: более 3100 сименс/см при нулевом растяжении, и более 4100 сименс/см при двукратном растяжении — это одни из самых высоких показателей проводимости для растяжимых проводников. Материал также оказался устойчив к повторяющимся нагрузкам: электропроводность осталась в пределах 3600 сименс/см после тысячи циклов двукратного растяжения. Более того, электропроводность наблюдалась в пределах 100 сименс/см при шестикратном растяжении, с границей разрушения при 800 процентах от начального размера — по этому показателю новый материал превосходит даже лучшие образцы гибких проводников на базе углеродных нанотрубок и серебряных нитей.

Ранее мы писали о самовосстанавливающемся электропроводимом биосовместимом материале, а также об эластичных платах для носимых у устройств.

Надежда Бессонова