З гідрогелю зробили самовідновлюваний датчик механічного навантаження

Вчені з Саудівської Аравії створили провідний гідрогель на основі почесного матеріалу, здатний розтягуватися в десятки разів і відновлюватися після пошкоджень, а також має вкрай високу залежність опору від розтягнення і стиснення. Дослідники пропонують використовувати цю властивість для створення чутливих датчиків механічних навантажень і створили кілька таких прототипів, повідомляється в журналі.

Відразу кілька технологічних областей, наприклад електроніка і м'яка робототехніка, потребують матеріалів, які можна використовувати для створення електронних компонентів без зниження основних властивостей конструкції. Зокрема, чимало вчених створюють еластичні матеріали для датчиків розтягнення. Але найчастіше ці матеріали не мають достатньої чутливості та їх електромеханічні властивості нестабільні і сильно змінюються після невеликої кількості розтягнень.

Група вчених під керівництвом Хусама Аль-Шаріфа (Husam Alshareef) з Науково-технологічного університету імені короля Абдалли створили композитний матеріал, позбавлений цих недоліків. Матеріал складається з гідрогелю на основі полівінілового спирту, а також включень карбіду титану, що належить до класу матеріалів, відомих як MXene. Це клас почесних матеріалів, що мають товщину в кілька атомних шарів і складаються з карбидів, нітридів і карбонітридів перехідних металів. Автори обрали саме його з кількох причин. Відомо, що завдяки тому, що при стисненні платівок такого матеріалу відстань між ними та його провідність змінюються, її можна використовувати як чутливий датчик тиску. Крім того, до поверхневого шару матеріалу приєднуються функціональні групи, що впливають на властивості гідрогелю, наприклад, гідроксильна група, що збільшує кількість водневих зв'язків у гідрогелі.

Завдяки комбінації двох різних класів матеріалів в одному композиті вчені отримали цілий набір незвичайних властивостей. Дослідники показали, як 2,5-сантиметровий фрагмент гідрогелю розтягується до 86 сантиметрів без розриву. Крім того, наявність безлічі водневих зв'язків дозволяє гідрогелю відновлюватися після розривів і показувати після цього таку ж розтяжність. Також матеріал має вкрай високе ставлення зміни опору до деформації при розтягненні - 25 - а при стисненні це відношення виростає до 80. Автори стверджують, що чутливість отриманого ними сенсора механічного навантаження вище, ніж у аналогічних сенсорів з робіт інших вчених.

Вчені виявили, що крім вимірювання стиснення або розтягнення матеріал можна використовувати і для виявлення простих жестів по його поверхні. Це відбувається через те, що залежно від напрямку руху основним стає стиснення або розтягнення матеріалу, що призводить до зміни опору в ту чи іншу сторону. Крім того, оскільки через в'язкоупругі властивості гідрогелю при високій швидкості він не може повністю відновитися після деформації, це можна використовувати для визначення швидкості, а не тільки напрямку руху по поверхні.

У 2016 році вчені зробили на основі гідрогелю інший матеріал, що змінює свої властивості при розтягненні. Під час механічного навантаження матеріал збільшує своє світіння, причому колір світіння можна задавати на етапі створення за допомогою добавок.