Ein leitfähiges, selbstheilendes Hydrogel zur Herstellung flexibler Sensoren

Jüngste Fortschritte auf dem Gebiet der Elektronik haben die Entwicklung kleinerer und immer anspruchsvollerer Geräte ermöglicht, darunter tragbare Technologien, Biosensoren, medizinische Implantate und Soft-Roboter. Die meisten dieser Technologien basieren auf dehnbaren Materialien mit elektronischen Eigenschaften.

Während Materialwissenschaftler bereits eine breite Palette flexibler Materialien eingeführt haben, die zur Herstellung von Elektronik verwendet werden könnten, sind viele dieser Materialien zerbrechlich und können leicht beschädigt werden. Da Schäden an Materialien zu deren Ausfall führen und gleichzeitig die Gesamtfunktion des Systems, in das sie integriert sind, beeinträchtigen können, können mehrere vorhandene weiche und leitfähige Materialien am Ende unzuverlässig und für groß angelegte Implementierungen ungeeignet sein.

Forscher der Universität für Wissenschaft und Technologie Harbin in China haben kürzlich ein neues leitfähiges und selbstheilendes Hydrogel entwickelt, mit dem flexible Sensoren für Wearables, Roboter oder andere Geräte hergestellt werden könnten. Dieses Material und seine Zusammensetzung wurden im erläutert Journal of Science: Fortschrittliche Materialien und Geräte.

„In diesem Artikel wurden Polyvinylalkohol (PVA) und 4-Carboxylbenzaldehyd (CBA) verwendet, um ein doppeltes Netzwerkskelett zu bilden, und Polyanilin (PANI) wurde eingeführt, um einen flexiblen Sensor mit hervorragender Selbstheilungsleistung aufzubauen“, sagt Xiaoming Wang, Ling Weng und ihre Kollegen schrieben in ihrer Arbeit. „Die hydrophobe Verbindung von PVA und CBA garantiert die mechanischen Eigenschaften des Hydrogelsensors, und die Einführung von PANI verleiht dem Hydrogelsensor elektrische Eigenschaften.“

Wang, Weng und ihre Kollegen stellten ihr Material her, indem sie CBA, eine organische Verbindung bestehend aus einem durch einen Aldehyd und eine Carbonsäure substituierten Benzolring, in PVA, ein wasserlösliches synthetisches Polymer, einführten und über eine elektrostatische Wechselwirkung das leitende Polymer PANI hinzufügten. In ersten Tests stellten sie fest, dass das Material bemerkenswerte mechanische Eigenschaften aufweist und sich nach einer Beschädigung selbst heilen kann. Darüber hinaus konnte eine maximale Spannung von 4,35 MPa und eine maximale Dehnung von 380 % erreicht werden.

Anschließend verwendeten die Forscher das Material, um einen Dehnungssensor zu entwickeln, ein Sensorgerät, das äußere Kräfte und ausgeübten Druck aus der Umgebung erkennen kann. Es wurde festgestellt, dass dieser Sensor eine sehr gute Leistung erbringt und sowohl kleine Verformungssignale, wie etwa Husten oder Sprechen eines Trägers, als auch kräftigere Körperbewegungen misst.

„Der in diesem Artikel vorbereitete flexible Sensor hat eine Empfindlichkeit von 1,71 im Dehnungsbereich von 0–300 % und eine Grenzdetektionsdehnung von weniger als 1 %“, schreiben Wang, Weng und ihre Kollegen in ihrer Arbeit. „Die Reaktionszeit des Hydrogel-Sensors beim Dehnen beträgt 158 ​​ms. Darüber hinaus verfügt der Hydrogel-Sensor auch über eine Selbstheilungsleistung. Bei Raumtemperatur dauert es nach dem Schneiden des Hydrogels nur eine Minute, um die Reparatur und die Selbstheilung abzuschließen.“ – Die Heilungsrate beträgt etwa 60 %.

In Zukunft könnte das von diesem Forscherteam entwickelte Hydrogel zur Entwicklung einer Vielzahl anderer Sensoren und tragbarer Elektronik verwendet werden, beispielsweise Sensoren, die menschliche Bewegungen erkennen können, oder medizinische Geräte, die bestimmte biologische Signale überwachen. Darüber hinaus könnte ihre Arbeit den Weg für die Entwicklung ähnlicher flexibler und leitfähiger Hydrogele mit selbstheilenden Eigenschaften ebnen.

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