Hochflexible und leitfähige Drähte spielen eine entscheidende Rolle bei der Integration und Anwendung tragbarer Geräte. Allerdings können die häufigen Belastungen und Verformungen im praktischen Einsatz zu strukturellen Schäden an diesen Drähten führen, was zum Ausfall des gesamten Moduls führen kann. Selbstheilende Drähte sind in der Lage, bei Strukturschäden ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften wiederherzustellen, was eine vielversprechende Lösung für dieses Problem darstellt.
Die praktischen Anwendungen selbstheilender Drähte werden jedoch durch den stark schwankenden elektrischen Widerstand unter dynamischen Bedingungen wie Biegen, Drücken, Dehnen und Zittern behindert, was die kontinuierliche Überwachungsgenauigkeit der miteinander verbundenen tragbaren Geräte erheblich verringert.
Um diese Engpässe zu überwinden, hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Hao Sun von der Shanghai Jiao Tong University eine neuartige Familie dynamisch stabiler selbstheilender Drähte entwickelt, die auf mechanisch-elektrischer Kopplung basiert und von Wasserstoffbrückenbindungen und Van-der-Waals-Kräften inspiriert ist Interaktion zwischen Axonkern und Myelinhülle im myelinisierten Axon. Das Team nutzte supramolekulare Chemie, um die Zugfestigkeit (35–73 MPa) der selbstheilenden Drähte zu verbessern, die gut mit herkömmlichen Textilfasern (28–74 MPa) übereinstimmten.
Noch wichtiger ist, dass der mechanisch-elektrische Kopplungseffekt auf der Grundlage von Wasserstoff- und Koordinationsbindungen zwischen den strukturellen (selbstheilenden Polymer) und leitfähigen (GaInSn-Flüssigmetall) Komponenten die elektrische Stabilität der selbstheilenden Drähte in verschiedenen dynamischen Umgebungen erheblich verbessert hat. Beispielsweise betrug die Widerstandsänderung dieser selbstheilenden Drähte bei einer hohen Dehnung von 500 % weniger als 0,7 Ohm, und der elektrische Widerstand erhöhte sich unter verschiedenen dynamischen Bedingungen wie Biegen, Pressen, Verknoten und Waschen um weniger als 5 % .
Aufgrund ihrer hervorragenden mechanischen, elektrischen und dynamischen Eigenschaften sind diese Drähte vielversprechend für tragbare Anwendungen. Beispielsweise könnte eine integrierte Gesundheitsplattform bestehend aus Temperatur-, Puls- und K+-Sensoren, einer Mikrocontroller-Einheit, einem Bluetooth-Modul und einer Lithium-Ionen-Batterie hergestellt werden, die über diese selbstheilenden Drähte miteinander verbunden sind, die vernachlässigbare elektrische Widerstandsschwankungen aufwiesen 3–4 % unter Hämmern, Drücken und Dehnen, auch nach Bruch und Heilung.
Darüber hinaus ermöglichte es eine stabile und genaue Überwachung menschlicher Aktivitäten, selbst im Szenario eines durch simulierte Parkinson-Krankheit verursachten Gliedmaßenzitterns. Diese Ergebnisse zeigten, wie wichtig eine hohe dynamische Stabilität selbstheilender Drähte ist, die einen zuverlässigen Betrieb der miteinander verbundenen tragbaren Geräte gewährleistet.
„Wir brauchen selbstheilende Drähte, die ihren elektrischen Widerstand unter dynamischen Bedingungen aufrechterhalten können, was der Schlüssel zur Gewährleistung der Präzision und Zuverlässigkeit der miteinander verbundenen tragbaren Geräte in praktischen Anwendungen ist. Bei unseren Versuchen, dieses Ziel zu erreichen, stellen wir fest, dass das Nervensystem dazu in der Lage ist.“ Übertragen Sie neuronale Aktionspotentiale auch bei starken Verformungen zuverlässig, was uns dazu inspiriert, den Mechanismus der „mechanisch-elektrischen Kopplung“ vorzuschlagen, der sich auf die Verbesserung der Grenzflächeninteraktion konzentriert.
„Wir entwickeln daher selbstheilende Polymermaterialien mithilfe supramolekularer Chemie, um eine starke Wechselwirkung mit dem flüssigen GaInSn-Metall zu induzieren und so dynamisch stabile selbstheilende Drähte zu erhalten, die praktischen tragbaren Szenarien zugute kommen“, sagte Prof. Hao Sun.
„In einer breiteren Perspektive kann unsere ‚mechanisch-elektrische Kopplung‘ zu einer allgemeinen Strategie zur Verbesserung der dynamischen Stabilität verschiedener flexibler Materialien und Geräte werden und einer Vielzahl von Anwendungen zugute kommen, wie etwa tragbare Gesundheitspflege, intelligente Robotik und implantierbare Elektronik.“
Mehr Informationen:
Shuo Wang et al., Ein dynamisch stabiler selbstheilender Draht basierend auf mechanisch-elektrischer Kopplung, National Science Review (2024). DOI: 10.1093/nsr/nwae006