הפלא האחרון של המדע: חומר אלקטרוני שמתגבר על ההשפעה

חומר גמיש חדש ומוליך חשמל מחקה את החוזק ההסתגלותי של תמיסות עמילן תירס, ומציע יישומים מבטיחים בטכנולוגיית חיישנים לבישים ורפואיים.

תאונות קורות כל יום, ואם תפיל את השעון החכם שלך, או שהוא מקבל מכה ממש קשה, כנראה שהמכשיר לא יעבוד יותר. אבל כעת, חוקרים מדווחים על חומר רך וגמיש עם "עמידות הסתגלותית", כלומר הוא מתחזק כאשר מכים או נמתחים. החומר גם מוליך חשמל, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור הדור הבא של מכשירים לבישים או חיישנים רפואיים מותאמים אישית.

החוקרים הציגו את תוצאותיהם היום במפגש האביב של האגודה האמריקאית לכימיה (ACS). ACS Spring 2024 הוא מפגש היברידי המתקיים באופן וירטואלי ובאופן אישי בין 17-21 במרץ; הוא כולל כמעט 12,000 מצגות במגוון נושאים מדעיים.

השראה ממרכיבי בישול

ההשראה לחומר החדש הגיעה מתערובת הנפוצה בבישול – תמיסת עמילן תירס.

"כשאני מערבב עמילן תירס ומים לאט, הכפית זזה בקלות", מסבירה יואה (ג'סיקה) וואנג, מדען חומרים והחוקר הראשי של הפרויקט. "אבל אם אני מרים את הכף ואז דוקר את התערובת, הכף לא חוזרת פנימה. זה כמו לדקור משטח קשה." לשתייה זו, שעוזרת לעבות תבשילים ורטבים, יש עמידות אדפטיבית, העוברת מגמיש לחזק, בהתאם לכוח המופעל. הצוות של וואנג יצא לחקות תכונה זו בחומר מוליך מוצק.

חוקר הפוסט-דוקטורט די וו מדבר על חומר פולימרי שהוא עוזר לפתח שהוא גמיש והופך קשיח יותר, תלוי איך הגוף נע.

פיתוח החומר

חומרים רבים, כגון מתכות, המוליכות חשמל הם קשים, נוקשים או שבירים. אבל חוקרים פיתחו דרכים ליצור גרסאות רכות וניתנות לכיפוף באמצעות פולימרים מצומדים – מולקולות ארוכות דמויות ספגטי מוליכות. עם זאת, רוב הפולימרים הגמישים מתפרקים אם הם עוברים פגיעות חוזרות, מהירות או גדולות. אז, הצוות של וואנג באוניברסיטת קליפורניה, מרסד, יצא לבחור את השילוב הנכון של פולימרים מצומדים כדי ליצור חומר עמיד שיחקה את ההתנהגות ההסתגלותית של חלקיקי עמילן תירס במים.

בתחילה, החוקרים הכינו תמיסה מימית של ארבעה פולימרים: ארוך דמוי ספגטי פולי(2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic) חוּמצָה), מולקולות פוליאנילין קצרות יותר ושילוב מוליך גבוה המכונה פולי(3,4-אתילן-דיאוקסיתיופן) פוליסטירן סולפונט (PEDOT:PSS). לאחר מריחת שכבה דקה מהתערובת וייבושה ליצירת סרט, הצוות בדק את התכונות המכניות של החומר הנמתח.

שיפור תכונות החומר

הם גילו שבמקום להתפרק מפגיעות מהירות מאוד, הוא התעוות או נמתח. ככל שהאימפקט מהיר יותר, כך הסרט נעשה נמתח וקשוח יותר. ובאופן מפתיע, רק תוספת של 10% של PEDOT:PSS שיפרה גם את מוליכות החומר וגם את העמידות האדפטיבית. וואנג מציין שהתוצאה הזו הייתה בלתי צפויה מכיוון שבעצמן, PEDOT ו-PSS לא נעשים קשים יותר עם השפעות מהירות או גבוהות.

ארבעת הפולימרים, שניים עם מטענים חיוביים ושניים עם מטענים שליליים, מסתבכים כמו קערה גדולה של ספגטי וקציצות, מסביר די וו, חוקר פוסט-דוקטורט במעבדה של וואנג שמציג את העבודה בפגישה. "מכיוון שהמולקולות הטעונות בחיוב אינן אוהבות מים, הן מתקבצות למיקרו-מבנים דמויי קציצות", אומר וו. השערת הצוות היא שההתנהגות האדפטיבית נובעת מכך שהקציצות סופגות את האנרגיה של הפגיעה ומשתטחות בעת פגיעה, אך לא מתפצלות לחלוטין.

עם זאת, וו רצה לראות כיצד הוספת מולקולות קטנות יכולה ליצור חומר מרוכב שהיה אפילו קשיח יותר כאשר נמתח או נשמט במהירות. מכיוון שלכל הפולימרים היו מטענים, הצוות בחר מולקולות עם מטענים חיוביים, שליליים או ניטרליים לבדיקה. לאחר מכן הם העריכו כיצד התוספים שינו את האינטראקציות של הפולימרים והשפיעו על העמידות ההסתגלותית של כל חומר.

תוצאות ראשוניות הצביעו על כך שהננו-חלקיקים הטעונים בחיוב העשויים מ-1,3-פרופאנדיאמין היו התוסף הטוב ביותר, והעניקו את הפונקציונליות ההסתגלותית ביותר. וו אומר שהתוסף הזה החליש את האינטראקציות של הפולימרים היוצרים את "קציצות הבשר", מה שהפך אותם לקל יותר להידחק ולעוות אותם כשהם מכים, וחיזק את "חוטי הספגטי" המסובכים היטב. "הוספת המולקולות הטעונות בחיוב לחומר שלנו הפכה אותו לחזק עוד יותר בקצבי מתיחה גבוהים יותר", אומר וו.

יישומים מתקדמים ועבודה עתידית

בעתיד, אומר וואנג, הצוות יעבור להדגמת הישימות של החומר המוליך הקל שלהם. האפשרויות כוללות רכיבים לבישים רכים, כגון רצועות משולבות וחיישני צד אחוריים עבור שעונים חכמים, ואלקטרוניקה גמישה לניטור בריאות, כגון חיישני לב וכלי דם או מוניטור גלוקוז רציף. בנוסף, הצוות גיבש גרסה קודמת של החומר האדפטיבי להדפסת תלת מימד ויצר העתק של ידו של חבר צוות, המדגים את השילוב הפוטנציאלי בתותבות אלקטרוניות מותאמות אישית. וואנג חושב שהגרסה המרוכבת החדשה צריכה להיות תואמת גם להדפסת תלת מימד כדי ליצור כל צורה שרוצים.

העמידות ההסתגלותית של החומר פירושה שמכשירי ביו-חיישן עתידיים יכולים להיות גמישים מספיק לתנועה אנושית קבועה אך להתנגד לנזק אם הם נחבטים בטעות או מכים אותם חזק, מסביר וואנג. "יש מספר יישומים פוטנציאליים, ואנחנו נרגשים לראות לאן הנכס החדש והלא שגרתי הזה יוביל אותנו."

כותרת
השפעת תוספים על פולימרים מוליכים מותאמים לקצב דפורמציה

תַקצִיר
תכונות הסתגלות בקצב דפורמציה מעניקות לחומרים פולימריים חוזק גבוה יותר, התארכות בשבירה וקשיחות תחת השפעה מהירה יותר. מערכת פולימר מוליכה מורכבת משני קומפלקסים פוליאלקטרוליטים, פוליאנילין: פולי(2-אקרילמידו-2-מתיל-1-פרופאן-סולפוני חומצה (PANI:PAMPSA) ופולי(3,4-אתילן-דיאוקסיתיופן): פוליסטירן סולפונט (PEDOT:PSS), יחד עם עם חומצה פרופאנית סולפונית של 35% ו-10% מים כחומרי פלסטיק, הראו התנהגות הסתגלותית בקצב דפורמציה. העבודה הקודמת שלנו העלתה כי ההתנהגות ההסתגלותית נובעת ככל הנראה מהתפוררות המיצלות שנוצרו על ידי PANI הידרופובי ו-PAMPSA הידרופילי תחת מהיר שיעורי דפורמציה, בעוד שהתוסף (כלומר, PSA) הוא השערה לכוון התנהגות אדפטיבית באמצעות השפעה על היווצרות מיצלות. כדי לפענח במלואו את תפקידם של התוספים, אותה מערכת פוליאלקטרוליטים המכילה PSA בעל מטען שלילי, 1,3-פרופאנדיאמין בעל מטען חיובי (13DA), או גליצרול נייטרלי (Gly) נחקרו. בעוד שההתנהגות המותאמת לקצב אושרה על ידי בדיקות מתיחה בדגימות עם כל שלושת התוספים, 13DA הראה את השיפור הגדול ביותר במודול יאנג, חוזק מתיחה, התארכות בשבירה ו קשיחות בשיעורי עיוות גבוהים יותר. מחקרי גזירה נדנדה והרפיית מתח מגלים כי ההתנהגות המסתגלת לקצב העיוות מקורה ברשתות החולפות שנוצרו על ידי צבירה של מקטעי PANI ו-PEODT הידרופוביים בחומרים שלנו. התוסף הבסיסי הטעון חיובי, 13DA, יכול להקל עוד יותר על היווצרות רשתות על ידי סינון אינטראקציות הפוליאלקטרוליטים וגישור בין הפוליאנונים. מחקר זה חושף את המנגנון של התנהגות הסתגלותית בקצב דפורמציה במערכת פולימר מודל זה, וניתן ליישם אותו על ייצור חומרים פולימריים חדשים וחזקים אחרים.

המחקר מומן על ידי אוניברסיטת קליפורניה, מרסד; מענק קריירה של קרן המדע הלאומית; ופרס החוקר הצעיר של קרן ארנולד ומייבל בקמן.