Чувствительная пластиковая кожа восстанавливает сама себя

Никто не знает об уникальных особенностях человеческой кожи лучше, чем исследователи, пытающиеся ее воссоздать. Наша кожа не только чувствительна, и посылает в мозг точную информацию о внешнем давлении и температуре, но также обладает способностью к самовосстановлению, представляя, таким образом, естественное препятствие для окружающего мира. Сочетание двух подобных характеристик в одном синтетическом материале стало захватывающим вызовом для профессора Химического Инжиниринга Женан Бао из Стэнфордского университета, и ее команды.
Сегодня они добились определенных успехов в создании первого материала, который будет способен как ощущать легкое давление, так и излечивать ожоги или порезы. Их изыскания были опубликованы 11 ноября в журнале Nature Nanotechnology.
В последнее десятилетие был сделан большой рывок в деле разработки искусственной кожи, говорит Бао, главный автор исследования. Однако даже наиболее эффективные самовосстанавливающиеся материалы обладали определенными недостатками. Некоторые подвергались воздействию высоких температур, что делало их непрактичными для каждодневного использования.
Другие могли самовосстанавливаться при комнатной температуре, но порез изменял их механическую или химическую структуру, поэтому процесс восстановления мог быть ограничен лишь одним-единственным разом. Что самое важное, ни один из материалов, не обладал высокой электропроводимостью, что было принципиально важно для ученых.
«Для включения данного материала в цифровую сферу, он, в идеальном случае, должен пропускать электричество», объясняет Бенжамин Чи-Конг Ти, первый автор исследования.

Новый рецепт

Исследователи добились успеха, совместив два ингредиента и получив то, что Бао называет «лучшим из двух миров» — способность к самовосстановлению пластикового полимера и проводимость металла.
Начали они с пластикового наполнения длинных цепочек молекул, соединенных водородными связями — относительно слабыми звеньями между позитивно заряженной областью одного атома и негативно заряженной областью другого.
«Эти динамические связи позволяют материалы самовосстанавливаться», говорит Чао Ванг, соавтор исследования. Молекулы легко распадаются, а разъединившись, связи вновь самоорганизуются и восстанавливают структуру материала, который получил повреждения, говорит он. В результате у ученых получился гибкий материал, который даже при комнатной температуре похож на солоноватую тянучку, оставленную в холодильнике.

К этому эластичному полимеру исследователи добавили небольшие частицы никеля, который повысил механическую прочность материала. Наночастицы никеля шероховаты, что оказалось важным для повышения проводимости материалы. Ти сравнивает эту поверхность с «мини-мачете», каждый выступающий край которых концентрирует электрическое поле и облегчает движение тока от одной частицы к другой.
Результатом стал полимер с необычными характеристиками. «Большинство видов пластика являются отличными изоляторами, а этот оказался отличным проводником», говорит Бао.

Восстановление

Следующим шагом ученых стало выяснение того, как хорошо материал может восстанавливать свою механическую прочность и электрическую проводимость после повреждения.
Исследователи взяли тонкий слой материала и разрезали его пополам скальпелем. После того, как ученые аккуратно, в течение нескольких секунд, наложили кусочки друг на друга, материал восстановил 75% изначальной прочности и электрической проводимости. Примерно за полчаса материал восстановился на 100%. «Даже человеческой коже для восстановления необходимо несколько дней. Поэтому наше достижение достаточно важно и весомо», заявил Ти.
Более того, тот же самый образец можно разрезать в том же самом месте много раз подряд. После 50 порезов и восстановлений, образец выдерживает изгибание и растяжение также, как и изначальный образец.

Композитная природа материала стала новым вызовом для команды. Бао и соавторы исследования определили, что несмотря на то, что никель являлся ключевым элементом для достижения прочности и проводимости материала, он также вовлечен и в процесс восстановления, предотвращая водородные связи от повторного соединения.
В поисках лучшего решения, для будущих поколений материала, Бао и ее команда попробуют изменить размер и форму наночастиц, или даже химические характеристики полимера.
Тем не менее, Ванг заявил, что возможности самовосстанавливающихся особенностей материала оказались неожиданными даже для самих ученых: «До нашего исследования, было сложно представить материал настолько гибкий и проводимый, который, при этом, обладал бы еще и способности к самовосстановлению».

Чувствительный к прикосновению

Команда исследователей также определила, как можно использовать материал в роли сенсора. Для электронов, создающих ток, попытка пройти сквозь этот материал, похожа на попытку перейти через реку, перепрыгивая с камня на камень. Камни являются аналогией частиц никеля, и дистанция, разделяющая их, определяет, сколько энергии понадобится электрону для того, чтобы оторваться от одного камня и перепрыгнуть на другой.
Изгибание или давление на синтетическую кожу изменяет дистанцию между частицами никеля и, таким образом, облегчает движение электронов. Эти практически незаметные изменения в электрическом сопротивлении могут быть интерпретированы в роли информации о давлении и напряжении на поверхности кожи.

Ти утверждает, что данный материал является достаточно чувствительным для определения давления рукопожатия. Таким образом, он может стать идеальным материалом для протезирования, добавил Бао. Материал чувствителен не только относительно давления, но и сгибания, поэтому, однажды, протез конечности сможет передавать степень изгиба связки.
Ти указывает и на коммерческие возможности использования. Электрические устройства и провода, спрятанные в материал, могут восстанавливать сами себя и вновь передавать электричество без необходимости дорогостоящего и тяжелого обслуживания, особенно в труднодоступных местах, таких как внутри зданий или машин.
Дальнейшими планами ученых, по словам Бао, является сделать материал растягивающимся и прозрачным, чтобы им можно было оборачивать и покрывать электронные устройства или экраны дисплеев.