Unfälle passieren jeden Tag, und wenn Ihre Smartwatch fallen gelassen wird oder sie richtig hart getroffen wird, funktioniert das Gerät wahrscheinlich nicht mehr. Doch jetzt berichten Forscher über ein weiches, flexibles Material mit „adaptiver Haltbarkeit“, das heißt, es wird stärker, wenn es getroffen oder gedehnt wird. Das Material leitet außerdem Elektrizität und eignet sich daher ideal für die nächste Generation von Wearables oder personalisierten medizinischen Sensoren.
Ihre Ergebnisse stellen die Forscher heute auf der vor Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS).
Die Inspiration für das neue Material kam von einer Mischung, die üblicherweise in der Küche verwendet wird – einer Maisstärkebrei.
„Wenn ich Maisstärke und Wasser langsam umrühre, lässt sich der Löffel leicht bewegen“, erklärt Yue (Jessica) Wang, Materialwissenschaftlerin und Hauptforscherin des Projekts. „Aber wenn ich den Löffel heraushebe und dann in die Mischung steche, geht der Löffel nicht wieder hinein. Es ist, als würde man auf eine harte Oberfläche stechen.“ Diese Aufschlämmung, die zum Eindicken von Eintöpfen und Soßen beiträgt, weist eine adaptive Haltbarkeit auf und wechselt je nach ausgeübter Kraft von formbar zu fest. Wangs Team machte sich daran, diese Eigenschaft in einem festen leitfähigen Material nachzuahmen.
Viele elektrisch leitende Materialien, beispielsweise Metalle, sind hart, steif oder spröde. Forscher haben jedoch Möglichkeiten entwickelt, weiche und biegsame Versionen mithilfe konjugierter Polymere herzustellen – lange, spaghettiartige Moleküle, die leitend sind. Dennoch brechen die meisten flexiblen Polymere auseinander, wenn sie wiederholten, schnellen oder starken Stößen ausgesetzt werden. Daher machte sich Wangs Team an der University of California in Merced daran, die richtige Kombination konjugierter Polymere auszuwählen, um ein haltbares Material zu schaffen, das das Anpassungsverhalten von Maisstärkepartikeln in Wasser nachahmt.
Zunächst stellten die Forscher eine wässrige Lösung aus vier Polymeren her: lange, spaghettiartige Poly(2-acrylamido-2-methylpropansulfonsäure), kürzere Polyanilinmoleküle und eine hochleitfähige Kombination namens Poly(3,4-ethylendioxythiophen)polystyrolsulfonat ( PEDOT:PSS). Nachdem das Team eine dünne Schicht der Mischung aufgetragen und zu einem Film getrocknet hatte, testete es die mechanischen Eigenschaften des dehnbaren Materials.
Sie fanden heraus, dass es bei sehr schnellen Stößen nicht auseinanderbrach, sondern sich verformte oder ausdehnte. Je schneller der Aufprall erfolgte, desto dehnbarer und zäher wurde die Folie. Und überraschenderweise verbesserte bereits eine 10-prozentige Zugabe von PEDOT:PSS sowohl die Leitfähigkeit als auch die adaptive Haltbarkeit des Materials. Wang weist darauf hin, dass dieses Ergebnis unerwartet war, da PEDOT und PSS allein bei schnellen oder starken Stößen nicht härter werden.
Bildnachweis: American Chemical Society
Die vier Polymere, zwei mit positiven Ladungen und zwei mit negativen Ladungen, verheddern sich wie eine große Schüssel Spaghetti und Fleischbällchen, erklärt Di Wu, ein Postdoktorand in Wangs Labor, der die Arbeit auf dem Treffen vorstellt.
„Da die positiv geladenen Moleküle kein Wasser mögen, aggregieren sie zu frikadellenartigen Mikrostrukturen“, sagt Wu. Die Hypothese des Teams ist, dass das adaptive Verhalten darauf zurückzuführen ist, dass die Fleischbällchen die Energie eines Aufpralls absorbieren und sich beim Aufprall abflachen, sich aber nicht vollständig aufspalten.
Wu wollte jedoch herausfinden, wie durch die Zugabe kleiner Moleküle ein Verbundmaterial entstehen könnte, das bei schneller Dehnung oder schnellem Fallenlassen noch härter ist. Da alle Polymere Ladungen hatten, wählte das Team zum Testen Moleküle mit positiven, negativen oder neutralen Ladungen aus. Anschließend untersuchten sie, wie die Additive die Wechselwirkungen der Polymere veränderten und die adaptive Haltbarkeit jedes Materials beeinflussten.
Vorläufige Ergebnisse haben gezeigt, dass die positiv geladenen Nanopartikel aus 1,3-Propandiamin das beste Additiv waren und die anpassungsfähigste Funktionalität verliehen. Laut Wu schwächte dieser Zusatzstoff die Wechselwirkungen der Polymere, die die „Fleischbällchen“ bilden, wodurch sie leichter auseinandergedrückt und verformt werden konnten, wenn sie getroffen wurden, und stärkte die eng verschlungenen „Spaghettischnüre“.
„Durch die Zugabe der positiv geladenen Moleküle zu unserem Material wurde es bei höheren Dehnungsraten noch stärker“, sagt Wu.
In Zukunft, sagt Wang, werde sich das Team darauf konzentrieren, die Anwendbarkeit seines leichten leitfähigen Materials zu demonstrieren. Zu den Möglichkeiten gehören weiche Wearables wie integrierte Armbänder und rückseitige Sensoren für Smartwatches sowie flexible Elektronik zur Gesundheitsüberwachung wie Herz-Kreislauf-Sensoren oder kontinuierliche Glukosemonitore.
Darüber hinaus formulierte das Team eine frühere Version des adaptiven Materials für den 3D-Druck und fertigte eine Nachbildung der Hand eines Teammitglieds an, um die mögliche Integration in personalisierte elektronische Prothesen zu demonstrieren. Wang ist der Meinung, dass die neue Verbundwerkstoffversion auch mit dem 3D-Druck kompatibel sein sollte, um jede gewünschte Form herzustellen.
Die adaptive Haltbarkeit des Materials bedeutet, dass zukünftige Biosensorgeräte flexibel genug für normale menschliche Bewegungen sein könnten, aber auch Schäden widerstehen, wenn sie versehentlich angestoßen oder hart getroffen werden, erklärt Wang. „Es gibt eine Reihe potenzieller Anwendungen und wir sind gespannt, wohin uns diese neue, unkonventionelle Immobilie führen wird.“