В исследовании исследователи объединили свои знания в области фундаментальной науки и техники, чтобы разработать метод, который равномерно включает эвтектический галлий-индий (EGaIn), металлический сплав, который является жидким при температуре окружающей среды, в эластомер. В результате был создан новый материал – очень эластичный, мягкий, многофункциональный композит, обладающий высоким уровнем термостойкости и электропроводности.
Кармель Маджиди, профессор машиностроения в Карнеги-Меллон и директор лаборатории Soft Machines, провела обширные исследования по разработке новых мягких материалов, которые можно использовать в биомедицинских и других областях.
В рамках этого исследования он разработал резиновые композиты, засеянные наноскопическими каплями жидкого металла. Материалы казались многообещающими, но техника механического смешивания, которую он использовал для объединения компонентов, давала материалы с несовместимыми составами и, как следствие, несовместимыми свойствами.
Чтобы решить эту проблему, Маджиди обратился к химику-полимеру из Карнеги-Меллона и Дж.C. Профессор естественных наук Университета Уорнера Кшиштоф Матияшевский, который разработал радикальную полимеризацию с переносом атома (ATRP) в 1994 году.
ATRP, первый и самый надежный метод контролируемой полимеризации, позволяет ученым соединять мономеры по частям, что приводит к получению специально подобранных полимеров с особыми свойствами.
«Новые материалы эффективны только в том случае, если они надежны. Вы должны знать, что ваш материал будет работать одинаково каждый раз, прежде чем вы сможете превратить его в коммерческий продукт », – сказал Матияшевский. «ATRP зарекомендовал себя как мощный инструмент для создания новых материалов с последовательной, надежной структурой и уникальными свойствами."
Маджиди, Матияшевский и профессор материаловедения и инженерии Майкл Р. Боксталлер использовал ATRP для прикрепления мономерных щеток к поверхности нанокапель EGaIn. Кисти смогли соединиться вместе, образуя прочную связь с каплями.
В результате жидкий металл равномерно диспергирован по всему эластомеру, в результате чего получается материал с высокой эластичностью и высокой теплопроводностью.
Матияшевский также отметил, что после прививки полимера температура кристаллизации eGaIn была снижена с 15 ° C до -80 ° C, увеличивая жидкую фазу капли ¬ — и, следовательно, его жидкие свойства – вплоть до очень низких температур.
«Теперь мы можем суспендировать жидкий металл практически в любом полимере или сополимере, чтобы адаптировать их свойства материалов и улучшить их характеристики», – сказал Маджиди. "Это не было сделано раньше. Это открывает двери для будущих открытий материалов."
Исследователи предполагают, что этот процесс можно использовать для объединения различных полимеров с жидким металлом, и, контролируя концентрацию жидкого металла, они могут контролировать свойства материалов, которые они создают. Число возможных комбинаций огромно, но исследователи полагают, что с помощью искусственного интеллекта их подход может быть использован для разработки эластомерных композитов, изготавливаемых на заказ, с заданными свойствами.
Результатом станет новый класс материалов, которые можно использовать в самых разных областях, включая мягкую робототехнику, искусственную кожу и биосовместимые медицинские устройства.
Среди других авторов исследования – Цзяцзюнь Ян из Карнеги-Меллона, Мохаммад Х. Малакути, Чжао Лу, Цзунъю Ван, Навид Казем и Чэнфэн Пан.
Исследование финансировалось Национальным научным фондом (1501324, 1709344, 1663305) и Управлением научных исследований ВВС США.