Eine leitfähige selbstheilende Hydrogel, um flexible Sensoren zu schaffen.
2. Juni 2023 feature
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von Ingrid Fadelli , Phys.org
Die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der Elektronik haben die Entwicklung immer kleinerer und ausgefeilterer Geräte ermöglicht, einschließlich tragbarer Technologien, Biosensoren, medizinischer Implantate und weicher Roboter. Die meisten dieser Technologien basieren auf dehnbaren Materialien mit elektronischen Eigenschaften.
Obwohl Materialwissenschaftler bereits eine Vielzahl flexibler Materialien entwickelt haben, die zur Herstellung von Elektronik verwendet werden können, sind viele dieser Materialien zerbrechlich und können leicht beschädigt werden. Da Schäden an Materialien zum Versagen führen können und gleichzeitig die Gesamtfunktion des integrierten Systems beeinträchtigen können, können mehrere der vorhandenen weichen und leitfähigen Materialien unzuverlässig und für groß angelegte Implementierungen ungeeignet sein.
Forscher an der Harbin University of Science and Technology in China haben kürzlich einen neuen leitfähigen und selbstheilenden Hydrogel entwickelt, der zur Herstellung flexibler Sensoren für tragbare Geräte, Roboter oder andere Geräte verwendet werden könnte. Dieses Material und seine Zusammensetzung wurden im Journal of Science: Advanced Materials and Devices beschrieben.
"In diesem Artikel wurden Polyvinylalkohol (PVA) und 4-Carboxylbenzaldehyd (CBA) verwendet, um ein doppeltes Netzwerkskelett zu bilden, und Polyanilin (PANI) wurde eingeführt, um einen flexiblen Sensor mit ausgezeichneter Selbstheilungsleistung zusammenzubauen", schrieben Xiaoming Wang, Ling Weng und ihre Kollegen in ihrem Artikel. "Die hydrophobe Assoziation von PVA und CBA garantiert die mechanischen Eigenschaften des Hydrogelsensors, und die Einführung von PANI bringt elektrische Eigenschaften in den Hydrogelsensor."
Wang, Weng und ihre Kollegen haben ihr Material geschaffen, indem sie CBA, eine organische Verbindung, bestehend aus einem Benzolring, der mit einem Aldehyd und Carbonsäure substituiert ist, in das wasserlösliche synthetische Polymer PVA eingeführt und das leitfähige Polymer PANI über eine elektrostatische Wechselwirkung hinzugefügt haben. In ersten Tests stellten sie fest, dass das Material bemerkenswerte mechanische Eigenschaften aufweist und sich nach einer Beschädigung selbst heilen kann. Darüber hinaus konnte es eine maximale Spannung von 4,35 Mpa und eine maximale Dehnung von 380% erreichen.
Dann verwendeten die Forscher das Material, um einen Dehnungssensor zu erstellen, ein Sensor, der externe Kräfte und Druck messen kann, die von seiner Umgebung ausgehen. Dieser Sensor funktionierte sehr gut und maß sowohl kleine Deformationsignale, wie beispielsweise ein Husten oder Sprechen des Trägers, als auch kraftvollere Körperbewegungen.
"Der in diesem Artikel hergestellte flexible Sensor hat in einem Spannungsbereich von 0-300% eine Empfindlichkeit von 1,71 und eine Nachweisgrenze von weniger als 1%", schrieben Wang, Weng und ihre Kollegen in ihrem Artikel. "Die Reaktionszeit des Hydrogelsensors während der Dehnung beträgt 158 ms. Darüber hinaus hat der Hydrogelsensor auch selbstheilende Eigenschaften. Bei Raumtemperatur benötigt er nach dem Schneiden nur eine Minute, um die Reparatur abzuschließen, und die Selbstheilungsrate beträgt etwa 60%."
In Zukunft könnte das von diesem Forscherteam geschaffene Hydrogel zur Entwicklung einer Vielzahl anderer Sensoren und tragbarer Elektronik verwendet werden, wie zum Beispiel Sensoren, die menschliche Bewegung oder medizinische Geräte, die spezifische biologische Signale überwachen, erkennen können. Darüber hinaus könnte ihre Arbeit den Weg für die Entwicklung ähnlicher flexibler und leitfähiger Hydrogele mit Selbstheilungseigenschaften ebnen.
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