Человеческая кожа обладает прекрасной чувствительностью. При этом она может легко заживать после порезов, сохраняя все свои функции. Долгое время учёным не удавалось создать искусственную структуру, которая отвечала бы двум этим требованиям.
Наконец, команда химиков и инженеров из Стэндфорда (Standford University) получила первый синтетический материал, который обладает чувствительностью к прикосновениям и одновременно способен восстанавливаться после нарушения структуры.
«В последнее десятилетие были достигнуты крупные успехи в области создания синтетической кожи, — говорит руководитель исследования Чженань Бао (Zhenan Bao). — Но все разработки имели существенные недостатки. Некоторые работали только под воздействием высоких температур, что делало их непрактичными. Другие могли восстанавливаться при комнатной температуре только один раз, так как теряли при этом свою механическую и химическую структуру. Но главное, восстановившийся материал плохо проводил электричество или совсем лишался этого важного свойства».
Используя в своей работе два компонента, исследователям удалось совместить эластичность и способность к восстановлению пластмасс с проводимостью металлов. В основу лёг полимер, состоящий из длинных цепочек молекул, соединённых слабыми водородными связями. Эти динамические связи легко распадаются, но так же легко реорганизуются, восстанавливая структуру материала.
Учёные добавили в полимерное вещество наночастицы никеля, которые не только придали материалу прочность, но и обеспечили отличную электропроводимость.
Электрическое поле концентрируется на грубой поверхности наночастиц и легко передаётся между ними. При нажатии на материал изменяется расстояние между частицами, а вместе с этим и электрическое сопротивление. Бао и её коллеги научились регистрировать эти изменения и получать информацию о месте и силе оказанного давления.
Если разрезать полученную структуру с помощью скальпеля, а затем соединить образовавшиеся края, две половины склеиваются в течение нескольких секунд. При этом сразу после «заживления» электропроводимость восстанавливается на 75%, а спустя ещё тридцать минут — на 100%. Операцию можно повторять много раз. Даже после 50 «порезов» образец восстанавливает изначальную эластичность и прочность, а также чувствительность к давлению.
В дальнейшем исследователи собираются изменить размер и форму наночастиц, которые замедляют воссоединение водородных связей полимера, что приводит к задержке полного восстановления электропроводности.
В пресс-релизе университета разработчики сообщают, что материал достаточно чувствительный, чтобы определить степень изгиба суставов или ощутить рукопожатие. Поэтому он идеально подойдёт для использования в протезировании.
Помимо этого изобретение можно использовать в электронных устройствах, которые смогут самостоятельно восстанавливаться при повреждении. Это особенно актуально в тех ситуациях, когда поломка произошла в труднодоступном месте, например, внутри стен или в недрах транспортных средств.
Подробнее с результатами работы можно ознакомиться в журнале Nature Nanotechnology.
Автор: Иван Загорский