Учёные из США открыли химическую реакцию, при помощи которой удалось преобразовать отходы пластика, а именно пенополистирол, в ценный проводящий полимер PEDOT:PSS. Этот полимер показал сопоставимые характеристики с коммерчески доступными аналогами при использовании в органических электронных транзисторах и солнечных элементах.

Источник изображения: National Cancer Institute/Unsplash

Исследователи из Университета Делавэра и Национальной лаборатории Аргонн разработали метод синтеза PEDOT:PSS путём сульфирования полистирола — синтетического пластика, широко используемого в одноразовых контейнерах и упаковочных материалах. По сообщению EurekAlert, исследование, опубликованное в журнале JACS Au, демонстрирует успешное внедрение переработанных пластиковых отходов в конечном итоге в функциональные электронные устройства, включая гибридные кремниевые солнечные элементы и органические электрохимические транзисторы (ОЭТ).

Сульфирование — это распространённая химическая реакция, при которой атом водорода замещается сульфоновой кислотой. Этот процесс является частью технологии при производстве красителей, лекарств и ионообменных смол (иониты), представляющих из себя синтетические полимеры. Химические реакции могут быть как «жёсткими» (с более высокой конечной эффективностью, но требующими едких реагентов), так и «мягкими» (менее эффективные, но использующие более мягкие реагенты). Учёные хотели найти нечто среднее: «Нам нужен был реагент, который достаточно эффективен для получения действительно высокой степени функционализации, но при этом не портил бы полимерную цепь», — поясняет руководитель исследования Лора Кейзер (Laure Kayser).

Источник изображения: Evan Krape / University of Delaware

Однако ключевым достижением стала разработка именно «мягкого» метода сульфирования, который обеспечил высокую степень функционализации полимера без разрушения его цепи. Доктор Келси Кутсукосп (Kelsey Koutsoukos) отметил, что команда провела месяцы экспериментов, чтобы найти оптимальные условия реакции.

«Мы проверили различные органические растворители, различные молярные соотношения сульфирующего агента, оценили различные температуры и время, чтобы увидеть, какие условия являются наилучшими для достижения высокой степени сульфирования», — сказал он.

В итоге удалось найти условия реакции, которые приводили к высокому сульфированию полимера, минимальным дефектам и высокой эффективности, и всё это при использовании мягкого сульфирующего агента. Также была обнаружена возможность точного контроля степени всего процесса, что открывает перспективы для применения в различных областях, включая топливные элементы и устройства для фильтрации воды.

Исследователи подчёркивают, что их работа может значительно способствовать глобальным усилиям по устойчивому развитию, предлагая новый способ переработки отходов в ценные материалы. Один из главных авторов работы, аспирант Чун-Юань Ло (Chun-Yuan Lo), отметил: «Многие учёные работают над проблемой утилизации и переработки использованного сырья, и наше исследование является ещё одним примером того, как можно решить эту задачу». Полученный из отходов полимер сравнили с коммерчески доступным PEDOT:PSS. Производительность обоих типов оказалась идентична.

Учёные Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне (США) разработали полимер для трёхмерной печати, способный окрашиваться в разные цвета в разных фрагментах одного объекта. Материал меняет свой цвет под действием ультрафиолетового излучения.

Источник изображения: illinois.edu

Обычно цвет полимеров, которые используются в 3D-триантерах, задаётся при помощи синтетических красителей — они оказываются источником загрязнения как при производстве, так и при печати. Кроме того, полимерная нить на одной катушке за редким исключением обычно имеет один цвет. А значит, что при необходимости вывести на печать разноцветный объект придётся менять катушки. Наконец, красители не позволяют добиться особо ярких цветов, например, как на крыльях бабочек — на их поверхности находятся наноструктуры, рассеивающие свет таким образом, что он воспринимается как ярко-красный, синий или зелёный.

Профессор Ин Дяо (Ying Diao) и аспирант Санхъюн Чжон (Sanghyun Jeon) из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне сумели воспроизвести этот эффект на полимере для трёхмерной печати. При выводе из сопла они под воздействием ультрафиолетового света формируют на поверхности материала аналогичные наноструктуры. Управляя такими параметрами как интенсивность подачи материала, движение печатающей головки и интенсивность ультрафиолетового излучения, можно настроить процесс печати таким образом, чтобы различные области объекта имели окраску от тёмно-синей до ярко-оранжевой. Технология также позволяет создавать цветовые градиенты — постепенные переходы, недоступные при традиционной 3D-печати.

Роботы станут не только более умными, но и гибкими. Исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали сегнетоэлектрический полимер, который эффективно преобразует электрическую энергию в механическую деформацию. Этот материал, потенциально пригодный для использования в медицинских приборах и робототехнике, преодолевает традиционные пьезоэлектрические ограничения. Исследователи улучшили характеристики за счёт создания полимерного нанокомпозита, значительно снизив необходимую для деформации напряжённость поля, что расширяет потенциал применения.

Источник изображения: Qing Wang / psu.edu

Новый тип сегнетоэлектрического полимера, который исключительно хорошо преобразует электрическую энергию в механическую деформацию, обещает стать высокоэффективным контроллером движения или линейным приводом (актуатором) с большим потенциалом для применения в медицинских устройствах, передовой робототехнике и системах точного позиционирования, сообщает международная группа исследователей под руководством Университета Пенсильвании (PSU).

Механическая деформация — изменение формы материала при приложении силы — является важным свойством для актуатора, который представляет собой любой материал, который изменяется или деформируется при приложении внешней силы, например, электрической энергии. Традиционно материалы для приводов были жёсткими, но мягкие аналоги демонстрируют большую гибкость и приспособляемость к окружающей среде.

Исследование продемонстрировало потенциал нанокомпозитов из сегнетоэлектрических полимеров для преодоления ограничений традиционных пьезоэлектрических полимерных композитов, предлагая перспективный путь для разработки мягких актуаторов с улучшенными характеристиками деформации и плотности механической энергии. Мягкие приводы представляют особый интерес для исследователей робототехники благодаря своей прочности, мощности и гибкости.

«Потенциально мы можем получить тип мягкой робототехники, которую мы называем искусственными мышцами. Это позволит нам получить мягкую материю, способную выдерживать большую нагрузку в дополнение к большой деформации. Таким образом, этот материал будет в большей степени имитировать человеческую мышцу», — сказал Цин Ванг (Qing Wang), профессор материаловедения и инженерии Университета Пенсильвании и соавтор исследования.

Однако прежде чем эти материалы смогут оправдать надежды учёных, им необходимо преодолеть несколько препятствий, и в исследовании были предложены возможные решения этих проблем. Первая — как повысить силу воздействия мягких материалов. Учёным известно, что мягкие исполнительные материалы, которыми являются полимеры, имеют наибольшую деформацию, но они генерируют гораздо меньшую силу по сравнению с пьезоэлектрической керамикой.

Вторая проблема заключается в том, что для сегнетоэлектрического полимерного привода обычно требуется очень высокое движущее поле, то есть сила, которая навязывает изменение в системе, например, изменение формы. В данном случае высокое движущее поле необходимо для создания изменения формы полимера, требуемого для сегнетоэлектрической реакции, необходимой для превращения в актуатор.

Решение, предложенное для улучшения характеристик сегнетоэлектрических полимеров, заключалось в разработке перколяционного нанокомпозита на основе сегнетоэлектрического полимера — своего рода микроскопической наклейки, прикреплённой к полимеру. Включив наночастицы в один из видов полимера, поливинилиденфторид (polyvinylidene fluoride), исследователи создали взаимосвязанную сеть полюсов внутри полимера.

«Этот новый материал может быть использован для многих устройств, для эффективности которых требуется низкое движущее поле, таких как медицинские приборы, оптические устройства и мягкая робототехника», — сказал профессор Цин Ванг. Можно с уверенностью сказать, что этот материал станет незаменимым в приборах для дистанционных нейрохирургических операций.

Новый сегнетоэлектрический полимер, разработанный исследователями из Пенсильвании, представляет собой значительный прорыв в области робототехники и медицинских устройств. Этот материал, способный эффективно преобразовывать электрическую энергию в механическую деформацию, обещает стать высокоэффективным контроллером движения. Исследование подчёркивает потенциал нанокомпозитов из сегнетоэлектрических полимеров для преодоления ограничений традиционных пьезоэлектрических полимерных композитов, открывая перспективный путь для разработки мягких актуаторов с улучшенными характеристиками деформации и плотности механической энергии. Это открытие может привести к созданию нового типа мягкой робототехники, которую можно назвать искусственными мышцами, и представляет собой важный шаг вперёд в этой области.

Инженерам из Университета Карнеги-Меллона удалось объединить полимеры с жидким металлом для разработки органогелевого композита, который обладает сверхгибкостью и высокой проводимостью. Благодаря новому гелю учёные, возможно, находятся на пути к созданию первых по-настоящему «мягких» роботов и самовосстанавливающихся биометрических устройств. По утверждению создателей, их материал мягкий и очень эластичный, с пределом деформации более 400 %.

Источник изображений: Zhao Et Al./Nature Electronics

Для создания композита исходный полимер был погружён в растворитель, чтобы добиться пластичности. Затем получившаяся полимерная основа была смешана с микроскопическими каплями жидкого сплава галлия и индия и чешуйками серебра. Конечным продуктом стало гелеобразное вещество низкой плотности, содержащее достаточное количество металла для передачи электричества.

Порванный кусок композита можно соединить, после чего он восстановит свою форму. Его электропроводность превосходит любой другой эластичный материал, что позволяет соединять электрические компоненты без ущерба для функциональности. Основной проблемой большинства гелевых веществ является их склонность к высыханию, но разработчики в качестве основы использовали этиленгликоль, который имеет незначительную скорость испарения.

Изобретатели использовали свой композит для создания робота-улитки, игрушечной машины и биометрического монитора. Новый композит использовался только для соединения батареи и мотора робота-улитки и показал себя весьма ремонтопригодным. В игрушечной машине новый материал позволил быстро объединить электрические цепи и привести в действие двигатель и фары. В качестве реконфигурируемого биоэлектрода материал может быть использован для измерения мышечной активности с помощью электромиографии (ЭМГ) на любой части тела.

Удаление наиболее «жёстких» компонентов машины и замена их гелевыми «нервными системами» позволит инженерам создавать действительно гибких роботов и устройства. Это открывает бесчисленные возможности, особенно в медицине, где учёные могут имитировать живые органы или создавать самовосстанавливающиеся биометрические мониторы для сердца и других мышц. Разработчики уверяют, что настоящие мягкие роботы могут «прикрепляться к вашей коже, ползать по полу вашего дома и помогать вам в повседневных делах».