Dit rekbare elektronische materiaal wordt hard bij impact, net als een “oobleck”

Wetenschappers willen graag nieuwe materialen ontwikkelen voor lichtgewicht, flexibele en betaalbare draagbare elektronica, zodat het laten vallen van onze smartphones op een dag geen onherstelbare schade veroorzaakt. Een team van de Universiteit van Californië, Merced, heeft geleidende polymeerfilms gemaakt die feitelijk stijver worden als reactie op een botsing in plaats van uiteen te vallen, net zoals het mengen van maïszetmeel en water in de juiste hoeveelheden een slurry oplevert die vloeibaar is als je langzaam roert, maar hard wordt als je erin prikt. (dat wil zeggen “oobleck”). Ze beschreven hun werk in een lezing deze week tijdens de bijeenkomst van de American Chemical Society in New Orleans.

Zoals eerder vermeld, is het maken van oobleck eenvoudig en gemakkelijk. Meng een deel water met twee delen maïzena, voeg voor de lol een beetje kleurstof toe en je hebt Oobleck, dat zich gedraagt ​​als een vloeistof of een vaste stof, afhankelijk van de uitgeoefende druk. Roer het langzaam en gestaag terwijl het vloeibaar is. Als je er hard op slaat, wordt het steviger onder je vuist. Het is een klassiek voorbeeld van niet-Newtoniaanse vloeistoffen.

in Perfecte vloeistofDe viscositeit hangt grotendeels af van temperatuur en druk: water blijft stromen, ongeacht andere krachten die erop inwerken, zoals roeren of mengen. In niet-Newtoniaanse vloeistoffen verandert de viscositeit als reactie op een uitgeoefende druk of schuifkracht, waardoor de grenzen tussen het gedrag van vloeistoffen en vaste stoffen worden overschreden. Het verplaatsen van een kopje water veroorzaakt een schuifkracht, en de waterschaar beweegt uit de weg. De viscositeit blijft onveranderd. Maar voor niet-Newtoniaanse vloeistoffen, zoals opaak, verandert de viscositeit wanneer er schuifkracht wordt uitgeoefend.

Ketchup is bijvoorbeeld een niet-Newtoniaanse vloeistof die zo dik is als een schuifbeweging, wat een van de redenen is waarom het raken van de bodem van de fles ervoor zorgt dat de ketchup er niet sneller uitkomt; Het uitoefenen van kracht verhoogt de viscositeit. Yoghurt, bouillon, slurry en pudding zijn andere voorbeelden. En dat geldt ook voor Oobleck. (De naam komt uit het kinderboek van Dr. Seuss uit 1949, Bartholomeus en Oobleck.) Niet-druipende verf vertoont daarentegen een “afschuifverdunnend” effect, kan gemakkelijk worden afgeborsteld, maar wordt stroperiger zodra deze op de muur is aangebracht. Vorig jaar ontdekten wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology Hij bevestigde dat Wrijving tussen deeltjes was cruciaal bij de overgang van vloeibaar naar vast en bepaalde het keerpunt wanneer de wrijving een bepaald niveau bereikt en de viscositeit plotseling toeneemt.

Wu werkt in het laboratorium van materiaalwetenschapper Yu (Jessica) Wang, die besloot het schuifverdikkingsgedrag van oobleck in een polymeermateriaal na te bootsen. Flexibele polymeerelektronica wordt doorgaans gemaakt door geconjugeerde geleidende polymeren, die lang en dun zijn, zoals spaghetti, met elkaar te verbinden. Maar deze materialen zullen nog steeds kapot gaan als reactie op bijzonder grote en/of snelle impacts.

Dus besloten Wu en Wang de spaghetti-achtige polymeren te combineren met kortere polyanilinemoleculen en polystyreensulfonaat (3,4-ethyleendioxythiofeen), of PEDOT:PSS, in totaal vier verschillende polymeren. Twee van de vier hebben een positieve lading en twee hebben een negatieve lading. Met dit mengsel maakten ze rekbare films en testten vervolgens de mechanische eigenschappen.

De films gedragen zich veel als oobleck: ze vervormen en strekken zich uit als reactie op de impact in plaats van dat ze uiteenvallen. Wang vergeleek de structuur met een grote kom spaghetti en gehaktballen, omdat de positief geladen moleculen niet van water houden en zich dus samenvoegen tot microscopisch kleine, balachtige structuren. Zij en Wu suggereren dat deze microstructuren de energie van de botsing absorberen en afvlakken zonder uiteen te vallen. Er is niet veel PEDOT:PSS nodig om dit effect te bereiken: slechts 10 procent was genoeg.

Bijkomende experimenten identificeerden een effectiever additief: positief geladen 1,3-propandiamine nanodeeltjes. Deze deeltjes kunnen de 'gehaktbal'-interacties van het polymeer voldoende verzwakken zodat ze verder kunnen vervormen als reactie op schokken, terwijl ze de interacties tussen de lange, verknoopte, spaghetti-achtige polymeren versterken.

De volgende stap is het toepassen van hun polymeerfilms op draagbare elektronica zoals smartwatch-bandjes en sensoren, maar ook op flexibele elektronica voor gezondheidsmonitoring. Het laboratorium van Wang heeft ook geëxperimenteerd met een nieuwe versie van het materiaal die compatibel zou zijn met 3D-printen, waardoor er meer mogelijkheden ontstaan. “Er zijn een aantal potentiële toepassingen en we zijn benieuwd waar dit onconventionele nieuwe pand ons naartoe brengt.” zei Wang.