Ученые из Саудовской Аравии создали проводящий гидрогель на основе двумерного материала, способный растягиваться в десятки раз и восстанавливаться после повреждений, а также обладающий крайне высокой зависимостью сопротивления от растяжения и сжатия. Исследователи предлагают использовать это свойство для создания чувствительных датчиков механических нагрузок и создали несколько таких прототипов, сообщается в журнале Science Advances.
Сразу несколько технологических областей, например, носимая электроника и мягкая робототехника, нуждаются в материалах, которые можно использовать для создания электронных компонентов без снижения основных свойств конструкции. В частности, немало ученых создают эластичные проводящие материалы для датчиков растяжения. Но зачастую эти материалы не имеют достаточной чувствительности и их электромеханические свойства нестабильны и сильно меняются после небольшого количества растяжений.
Группа ученых под руководством Хусама Аль-Шарифа (Husam Alshareef) из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы создали композитный материал, лишенный этих недостатков. Материал состоит из гидрогеля на основе поливинилового спирта, а также включений карбида титана, принадлежащего к классу материалов, известных как MXene. Это класс двумерных материалов, имеющих толщину в несколько атомных слоев и состоящих из карбидов, нитридов и карбонитридов переходных металлов. Авторы выбрали именно его по нескольким причинам. Известно, что благодаря тому, что при сжатии пластинок такого материала расстояние между ними и его проводимость меняются, его можно использовать в качестве чувствительного датчика давления. Кроме того, к поверхностному слою материала присоединяются функциональные группы, влияющие на свойства гидрогеля, например, гидроксильная группа, увеличивающая количество водородных связей в гидрогеле.
Строение гидрогеля
Благодаря комбинации двух разных классов материалов в одном композите ученые получили целый набор необычных свойств. Исследователи показали, как 2,5-сантиметровый фрагмент гидрогеля растягивается до 86 сантиметров без разрыва. Кроме того, наличие множества водородных связей позволяет гидрогелю восстанавливаться после разрывов и показывать после этого такую же растяжимость. Также материал обладает крайне высоким отношением изменения сопротивления к деформации при растяжении — 25 — а при сжатии это отношение вырастает до 80. Авторы утверждают, что чувствительность полученного ими сенсора механической нагрузки выше, чем у аналогичных сенсоров из работ других ученых.
Схема изменения электрических свойств при механических нагрузках
Ученые обнаружили, что кроме измерения сжатия или растяжения материал можно использовать и для обнаружения простых жестов по его поверхности. Это происходит из-за того, что в зависимости от направления движения основным становится сжатие или растяжение материала, что приводит к изменению сопротивления в ту или иную сторону. Кроме того, поскольку из-за вязкоупругих свойств гидрогеля при высокой скорости он не может полностью восстановиться после деформации, это можно использовать для определения скорости, а не только направления движения по поверхности.
Изменение сопротивления в зависимости от направления движения
В 2016 году ученые сделали на основе гидрогеля другой материал, меняющий свои свойства при растяжении. Во время механической нагрузки материал увеличивает свое свечение, причем цвет свечения можно задавать на этапе создания с помощью добавок.
