Samoleczący się ekran smartfona naprawi swoje zadrapania

Naukowcy stworzyli samoleczący się, przezroczysty, elastyczny i przewodzący prąd materiał. Dzięki swoim właściwościom może być wykorzystany do zasilania sztucznych mięśni, wydłużenia czasu życia akumulatorów czy samonaprawiania się ekranów smartfonów.

Dr. Chao Wang z University of California w Riverside, podczas 253. spotkania Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego zaprezentował nowy rodzaj polimeru, którego powstanie zainspirowane zostało fascynacją jednym z członków X-Menów:

“Kiedy byłem młody, moim idolem był Wolverine”- mówi Wang. „Mógł uratować świat, ale tylko dlatego, że mógł się sam uleczyć. [Moim marzeniem był] samoleczący się materiał, który pocięty na dwie części może się ze sobą połączyć, tak jakby zupełnie nic się nie stało, tak jak nasza skóra”.

Zespołowi pod kierownictwem Wanga udało się stworzyć materiał, który jest niezwykle elastyczny i może rozciągnąć się tak, że 50-krotnie się wydłuży. Kiedy się przerwie lub zostanie przecięty automatycznie ponownie się połączy w maksymalnie 24 godziny. W rzeczywistości, już po pięciu minutach „gojenia”, materiał może być rozciągnięty dwukrotnie przewyższając pierwotne rozmiary. Scenariuszy na wykorzystanie nowego polimeru jest sporo, ale to, co od razu trafia do naszej wyobraźni, to całkowicie odporny na zniszczenie ekran telefonu albo bezpieczne baterie litowe, które jak wiadomo nieodpowiednio używane puchną.

Polimerowy “mięsień” (zdjęcie: Wang lab)

Choć nowy materiał w zamyśle nie jest przeznaczony do zastosowań medycznych, to badacze w ramach eksperymentu stworzyli również „sztuczny mięsień”. Pomiędzy dwie warstwy przewodzącego polimeru włożyli nieprzewodzącą membranę. Nowy polimer reagował na przyłożone napięcie, podobnie jak to ma miejsce w przypadku prawdziwych włókien mięśniowych.

Bardziej spektakularnym przykładem jest przezroczysty głośnik zrobiony przez innego członka zespołu badawczego, prof. Christopha Keplingera z University of Colorado Boulder. Prezentowany tutaj materiał pochodzi z wcześniejszego etapu prac badawczych. Jest rozciągliwy, przezroczysty i przewodzi prąd, ale nie posiada możliwości samonaprawy.

Tym, co sprawia, że nowy materiał potrafi sam się leczyć są wiązania chemiczne. Na przykład wiązania wodorowe występujące pomiędzy cząsteczkami wody ciągle rozrywają się i łączą. Sprawiają, że możemy kroplę wody podzielić na pół, by ta po chwili znów stała się jednością. Dzieje się tak dlatego, że mostki wodorowe są znacznie słabsze niż wiązania kowalencyjne czy wiązania jonowe i łatwo się rozrywają, jak też łączą.

Większość polimerów, które mają cechy samonaprawiania bazuje właśnie na wiązaniach wodorowych (być może z takiego typu materiału zbudowana była samolecząca się obudowa telefonu LG Flex). Problem w tym, że zbudowane z ich wykorzystaniem polimery, same z siebie nie przewodzą prądu. W dotychczasowych próbach, takich jak prace nad sztuczną skórą* (zespoł Zhenana Bao ze Stanford University, w którego skład wchodził też Chao Wang) kwestię przewodnictwa elektrycznego rozwiązywano przez dodanie do polimeru drobin niklu.

Nowy samoleczący się polimer (zdjęcie: Wang lab)

By wyeliminować tego typu dodatki Wang sięgnął po jeszcze inny rodzaj wiązań niekowalencyjnych, nazwanych oddziaływaniami jonowo-dipolowymi, które są siłami pomiędzy naładowanymi jonami a cząsteczkami polarnymi. Jak twierdzi badacz, ten typ wiązań nie był jeszcze wykorzystywany przy projektowaniu samoleczących się materiałów, a ma wszystkie odpowiednie cechy z przewodzeniem prądu włącznie.

Zespól Wanga do stworzenia nowego materiału wykorzystał  polarny, rozciągliwy polimer (kopolimer polifluorku winilidenu i polikeksafluoropropylenu) oraz sól o jonowej budowie cząsteczek – łańcuchy polimerowe połączone są ze sobą poprzez oddziaływania jonowo-dipolowe pomiędzy polarnymi grupami w polimerze i w soli. W efekcie powstał rozciągliwy, przezroczysty, samoleczący się i co nowatorskiej przewodzący prąd materiał.

Nowy polimer nie tylko sam się naprawia, ale też rozciąga, zwiększając nawet 50-krotnie swój pierwotny rozmiar. (Zdjęcie: Wang lab)

Według Wanga nowy materiał ma być stosunkowo tani w produkcji i powinien pojawić się na rynku przed 2020 rokiem.

 Źródła: ACS, UCR Today 
Filmy: Univ. of California, Riverside, Harvard University

* To że skóra przewodzi prąd pewnie wie każdy. Czy jednak wiemy, dlaczego to jest istotne?