У полупрозрачного полимера нашли способность быстро залечивать повреждения
Ученые из Университета Токио обнаружили, что полупрозрачный полимерный материал TUEG3 легко восстанавливается после повреждений благодаря большому числу водородных связей. При этом он является довольно прочным из-за своей аморфной структуры, обусловленной хаотичностью связей. Статья опубликована в Science.
Исследователи давно ищут материал, который будет легко восстанавливаться после повреждений. Например, подобный материал можно создать, если поместить в него капсулы с мономерами и активным веществом. При повреждении вещества смешиваются, образуют полимеры и заклеивают трещину. К сожалению, такой способ позволяет материалу восстанавливаться только ограниченное число раз.
С другой стороны, некоторые полимеры могут восстанавливаться неограниченное число раз, перестраивая ковалентные или водородные связи. Однако такие материалы обычно оказываются мягкими и легко деформируются, что ограничивает сферу их применений. К тому же, обычно для перестройки ковалентных связей нужно нагреть эти материалы до большой температуры (более ста градусов Цельсия).
Наконец, полимеры с низким молекулярным весом и большим количеством водородных связей тоже могут образовать жесткие материалы, которые легко восстанавливаются. Например, ученые разработали термопластичный эластомер (thermoplastic elastomer), который «склеивается» при приложении даже небольшого давления. Но и здесь есть проблема: большое число водородных связей как правило приводит к кристаллизации полимера, что делает его очень хрупким и опять-таки не позволяет применить на практике.
В данной работе группа ученых под руководством Такузо Аида (Takuzo Aida) сообщает о полимере, который объединяет достоинства перечисленных выше материалов. Это полиэфиртиомочевина-3 (polyether-thioureas, TUEG) — похожий на стекло, полупрозрачный аномально аморфный материал. Несмотря на то, что TUEG3 содержит плотные водородные связи из-за тиомочевиновых участков, он не кристаллизуется и не становится хрупким. Как выяснили исследователи, это происходит из-за того, что связанные водородными связями цепочки очень слабо упорядочены и больше напоминают зигзаги.
В то же время, большое число водородных связей позволяет TUEG3 очень легко залечивать повреждения — для этого не требуются ни большие температуры, ни сильное давление. Например, два прямоугольных кусочка полимера размером 10×20×2 миллиметра, прижатые друг к другу на 30 секунд при температуре 21 градус Цельсия, выдерживали нагрузку до трехсот грамм. Полностью свойства склеенного материала сравнивались со свойствами «цельного» в течение нескольких часов.
Стоит отметить, что такое быстрое восстановление свойств при сдавливании двух кусочков обусловлено именно перестройкой водородных связей и образованием новых соединений между полимерными цепочками. Диффузия в этом процессе роли практически не играет, поскольку время релаксации TUEG3 при 21 градусе Цельсия составляет несколько месяцев.
Кроме того, исследователи сравнили свойства TUEG3 со свойствами похожих материалов, которые получены полимеризацией тиомочевины. Большинство таких полимеров были более хрупкими, чем TUEG3, поскольку в них водородные связи были менее хаотичными. Кроме того, они хуже восстанавливались после повреждений. Больше всего на TUEG3 были похожи полимеры TUEG2 и TUEG4, которые тоже имели аморфную структуру.
Интересно, что синтезировать TUEG3 довольно просто: его можно получить в однореакторной (one-pot) поликонденсации коммерчески доступных мономеров.
Ранее мы писали о том, как полимер полиэтилакрилат в сотни раз повысил эффективность восстановления костей мышей.
Дмитрий Трунин
И реагировать на них движениями
Американские инженеры связали на автоматическом станке свитеры для роботов, которые помогают ощущать прикосновения с помощью вшитых датчиков нажима. Свитеры пригодятся, чтобы управлять движениями роботов на производстве. Работа доступна на arXiv.org. Для работы на производстве с людьми, роботам нужно быть очень осторожными, чтобы случайно не травмировать человека. Есть разные способы сделать роботов безопасными, например прикреплять к ним мягкие подушки. Другая идея — научить роботов быстро определять контакт и отодвигаться от человека. В отличие от людей, у роботов нет кожи, но для них можно сделать другую систему для распознавания ощущений из жестких или эластичных материалов, или даже одежду из текстиля, если встроить в нее датчики прикосновений. Одежду можно быстро изготавливать на ткацком станке в промышленных масштабах, и надевать на роботов разных форм и размеров. Группа инженеров из Университета Карнеги под руководством Джеймса МакКанна (James McCann) и Ян Вэньчжэня (Yuan Wenzhen) создала свитеры для роботов, которые могут надежно определять прикосновения. По словам авторов, обычно у текстильных сенсоров есть проблема: они быстро деформируются и перестают надежно работать. Исследователи попробовали с этим справиться, связав свитеры из трех слоев пряжи. Верхний и нижний слой сделаны из обычного нейлона, на котором чередуются широкие и узкие полосы. Широкие полосы сотканы из полиэстеровой металлизированной пряжи, которая хорошо проводит электричество, а узкие полосы изолятора сделаны из акрила. Средний слой — это сетка из района (искусственного шелка). Чем она тоньше, тем выше чувствительность свитера к легким прикосновениям, и наоборот — плотный средний слой подходит для сильных нажатий. Слои ткани с помощью пуговиц с проводами соединяются с устройством для считывания сопротивления, и вместе с ним превращаются в электронную схему. Когда кто-то дотрагивается до свитера, верхний и нижний слои ткани соприкасаются через отверстия в районовой сетке, и сопротивление в системе уменьшается. По сопротивлению можно определить силу нажатия. Инженеры протестировали, насколько надежно устройство определяет силу и место контакта со свитером. Первая серия экспериментов проверяла, как эффективность сенсоров меняется со временем. Эксперименты включали 42 секунды контакта с сенсорами по 20-30 раз на протяжении 4 дней. Авторы не приводят точные цифры результатов, но утверждают что сенсоры показывали стабильные результаты по определению места контакта все 4 дня, с небольшими погрешностями в конце эксперимента. Также исследователи протестировали точность сенсоров на плоской и изогнутой поверхности. На плоской поверхности по сопротивлению датчиков можно было точно определить силу нажатия. На изогнутой поверхности корреляция между сопротивлением и силой нажатия сохранилась, но выросло ее стандартное отклонение. Таким образом, сложность поверхности негативно повлияла на точность определения нажатия. Наконец, инженеры проверили эффективность чувствительных свитеров на роботах. Они надели свитер на робота Kuri, который должен был повернуть голову в ответ на прикосновение. В будущем технологию RobotSweater можно использовать, чтобы обучать роботов: например, похлопать по плечу в качестве похвалы. Пока инженеры показали, как свитеры могут пригодиться на производстве: например, промышленный робот в свитере останавливается и меняет направление движения в ответ на прикосновения. https://www.youtube.com/watch?v=YGUV1dHuCRc Прикосновения может определять не только одежда для роботов, но и искусственная кожа, которую разработала группа ученых из Стэнфордского университета. Пока кожу испытали на крысах, но авторы планируют в будущем встроить ее в человеческие протезы, чтобы улучшить их чувствительность.