In den letzten Jahren haben Forscher verschiedene neue Materialien synthetisiert, die zur Entwicklung fortschrittlicherer Robotersysteme, Geräte und Mensch-Maschine-Schnittstellen verwendet werden könnten. Zu diesen Materialien gehören Graphen-Aerogele, ultraleichte, poröse und auf Graphen basierende Materialien, die aus einer einzelnen Schicht von Kohlenstoffatomen bestehen, die in einem 2D-Wabengitter angeordnet sind.
Während Graphen-Aerogele zahlreiche vorteilhafte Eigenschaften aufweisen, darunter ein minimales Gewicht, eine hohe Porosität und eine gute elektrische Leitfähigkeit, stießen Ingenieure, die versuchten, sie zur Entwicklung von Drucksensoren zu verwenden, auf einige Schwierigkeiten. Insbesondere weisen viele dieser Materialien eine intrinsisch steife Mikrostruktur auf, was ihre Fähigkeit zur Dehnungserkennung einschränkt.
Forscher der Xi’an Jiaotong University, der Northumbria University (UK), der UCLA, der University of Alberta und anderer Institute haben kürzlich eine neue Herstellungsstrategie für die Synthese von Aerogel-Metamaterialien eingeführt, um diese Einschränkung zu überwinden. Diese Strategie, beschrieben in ein Papier In Nanobuchstabenstellt ein haltbares Aerogel-Metamaterial auf Graphenoxidbasis her, das eine bemerkenswerte Empfindlichkeit gegenüber menschlichen Berührungen und Bewegungen aufweist.
„Die Forschung wurde ausschließlich durch die Neugier meines Studenten vorangetrieben, der gelegentlich eine abnormale Strukturveränderung im Querschnitt einer bestimmten Ebene feststellte“, sagte Dr. Ben Xu, Co-Autor der Arbeit, gegenüber Phys.org. „Dieser anisotrope Phasenwechsel erregte Interesse. Bald erkannten wir, dass der damit verbundene Funktionswechsel eine schöne gerichtete Druckerfassungsfunktion ermöglichen könnte.“
Die Strategie des Teams zur Herstellung von Metamaterialien auf Graphenoxidbasis umfasst zwei Schlüsselschritte. Dazu gehören die Verwendung einer Dehydratisierungstechnik, die als Gefriertrocknung bekannt ist, und eines Wärmebehandlungsprozesses, der als Glühen bekannt ist.
„Die Vorlösung enthält außerdem eine spezielle Chemikalie, die als Graphen-‚Klebstoff‘ fungiert, um den wabenartigen Querschnitt zu konstruieren“, erklärte Dr. Xu. „Die Strukturkonfiguration des Querschnitts auf der dedizierten Ebene wird durch thermisches Tempern realisiert, das durch Mikro-/Nanomechanik abgestimmt werden kann. Mit dieser einfachen Strategie wurde der geknickte Querschnitt im ersten Versuch erreicht.“
Mithilfe ihrer vorgeschlagenen Herstellungsstrategie synthetisierten Dr. Xu und seine Kollegen ein anisotrop vernetztes Aerogel-Metamaterial aus Chitosan und reduziertem Graphenoxid (CCS-rGO). Es wurde festgestellt, dass dieses Material eine bemerkenswerte Richtungshyperelastizität, außergewöhnliche Haltbarkeit, hervorragende mechanische und elektrische Leistung, einen großen Erfassungsbereich und eine sehr hohe Reizempfindlichkeit von 121,45 kPa-1 aufweist.
„Wir führen derzeit multidisziplinäre Forschung mit unterschiedlichen Interessen in den Bereichen Funktionsmaterialien und Energietechnologie, nachhaltige Technik, Materialien für das Gesundheitswesen, Materialchemie, reaktionsfähige Materialien/Oberflächen und Mikrotechnik durch“, sagte Dr. Xu.
Dr. Xus Team an der Northumbria University führt derzeit weitere Studien durch, die auf die Entwicklung vielversprechender Metamaterialien für verschiedene technologische Anwendungen abzielen. In Zukunft könnte ihre vorgeschlagene Herstellungsstrategie zur Synthese zusätzlicher Aerogel-Metamaterialien auf Graphenoxidbasis beitragen, die Mensch-Maschine-Schnittstellen für fortschrittliche Gesundheits- und Prothesengeräte vorantreiben könnten.
Ein weiterer Entwicklungspfad für solche Sensoren liegt in der Windenergie.
„Wir haben uns in letzter Zeit stark auf funktionelle Materialien und technische Technologien für den Offshore-Windenergiesektor konzentriert“, fügte Dr. Xu hinzu. „Wir freuen uns auch darauf, unsere Material-/Sensorforschung in der neu ausgezeichneten EU COST Action CA23155 anzuwenden, um die neuartige Meerestribologie voranzutreiben. Dieses Projekt konzentriert sich auf Offshore-Windenergie, die zum globalen Ziel von Netto-Null und Nachhaltigkeit beiträgt.“
Weitere Informationen:
Yuhao Wang et al., Mikrostrukturrekonfigurierte Graphenoxid-Aerogel-Metamaterialien für ultrarobuste Richtungserkennung an Mensch-Maschine-Schnittstellen. NanoLetters(2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03706
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