研究人員創(chuàng)造了具有增強(qiáng)特性的柔軟 柔韌的材料

來(lái)自卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的聚合物化學(xué)家和工程師團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新方法，可用于制造一類具有增強(qiáng)的電學(xué)和熱學(xué)性能的可拉伸聚合物復(fù)合材料。這些材料是用于軟機(jī)器人，自我修復(fù)電子和醫(yī)療設(shè)備的有希望的候選材料。結(jié)果發(fā)表在5月20日的Nature Nanotechnology雜志上。

在這項(xiàng)研究中，研究人員將他們?cè)诨A(chǔ)科學(xué)和工程方面的專業(yè)知識(shí)結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)出一種方法，將常溫鎵銦(EGaIn)(一種在環(huán)境溫度下呈液態(tài)的金屬合金)均勻地結(jié)合到彈性體中。這創(chuàng)造了一種新材料 - 一種高度可拉伸，柔軟，多功能的復(fù)合材料，具有高水平的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。

Carmel Majidi是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)機(jī)械工程教授和軟機(jī)械實(shí)驗(yàn)室主任，他開(kāi)展了大量研究，開(kāi)發(fā)可用于生物醫(yī)學(xué)和其他應(yīng)用的新型軟質(zhì)材料。作為這項(xiàng)研究的一部分，他開(kāi)發(fā)了用納米級(jí)液態(tài)金屬液滴種植的橡膠復(fù)合材料。這些材料看起來(lái)很有希望，但他用來(lái)組合這些組分的機(jī)械混合技術(shù)產(chǎn)生的材料組成不一致，因此性能不一致。

為了克服這個(gè)問(wèn)題，Majidi轉(zhuǎn)向卡內(nèi)基梅隆高分子化學(xué)家和JC華納大學(xué)自然科學(xué)教授Krzysztof Matyjaszewski，他于1994年開(kāi)發(fā)了原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP).ATRP是第一種也是最強(qiáng)大的可控聚合方法，它使科學(xué)家能夠?qū)误w串聯(lián)在一起，形成具有特定性能的高度定制的聚合物。

“新材料只有在可靠的情況下才有效。你需要知道，每次材料制成商業(yè)產(chǎn)品之前，你的材料都會(huì)以相同的方式工作，”Matyjaszewski說(shuō)。“ATRP已被證明是一種創(chuàng)造具有一致，可靠結(jié)構(gòu)和獨(dú)特性能的新材料的強(qiáng)大工具。”

Majidi，Matyjaszewski和材料科學(xué)與工程教授Michael R. Bockstaller使用ATRP將單體刷連接到EGaIn納米液滴的表面。刷子能夠連接在一起，形成與液滴的牢固結(jié)合。結(jié)果，液態(tài)金屬均勻地分散在整個(gè)彈性體中，產(chǎn)生具有高彈性和高導(dǎo)熱性的材料。

Matyjaszewski還指出，在聚合物接枝之后，eGaIn的結(jié)晶溫度從15℃抑制到-80℃，使液滴的液相¬-從而將其液體性質(zhì)延伸到非常低的溫度。

“我們現(xiàn)在可以將液態(tài)金屬懸浮在幾乎任何聚合物或共聚物中，以便調(diào)整其材料特性并提高其性能，”Majidi說(shuō)。“這在以前沒(méi)有做過(guò)。它為未來(lái)的材料發(fā)現(xiàn)打開(kāi)了大門(mén)。”

研究人員設(shè)想，這個(gè)過(guò)程可以用來(lái)將不同的聚合物與液態(tài)金屬結(jié)合起來(lái)，通過(guò)控制液態(tài)金屬的濃度，他們可以控制它們所產(chǎn)生的材料的性質(zhì)?？赡艿慕M合數(shù)量巨大，但研究人員認(rèn)為，借助人工智能，他們的方法可用于設(shè)計(jì)具有定制特性的“按訂單生產(chǎn)”的彈性體復(fù)合材料。結(jié)果將是一類新的材料，可用于各種應(yīng)用，包括軟機(jī)器人，人造皮膚和生物兼容的醫(yī)療設(shè)備。