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这种弹性电子材料在受到冲击时会变硬,就像“欧不裂”一样

这种弹性电子材料在受到冲击时会变硬,就像“欧不裂”一样

放大 / 这种柔性导电材料具有“适应性韧性”,这意味着它在受到撞击时会变得更强。

王宇

科学家们热衷于开发用于轻质、灵活且价格实惠的可穿戴电子产品的新材料,以便有一天我们的智能手机掉落时不会造成无法弥补的损坏。 加州大学默塞德分校的一个团队创造了导电聚合物薄膜,这种薄膜在受到冲击时实际上会变得更硬,而不是分解,就像将适量的玉米淀粉和水混合会产生一种浆料,在缓慢搅拌时呈液体,但在冲压时会变硬(即“欧不裂”)。 他们在本周于新奥尔良举行的美国化学会会议上的一次演讲中描述了他们的工作。

“基于聚合物的电子学非常有前途,”加州大学洛杉矶分校材料科学博士后研究员德吴说。 “我们希望使聚合物电子产品更轻、更便宜、更智能。 [With our] 系统, [the polymers] 当您进行突然的运动时,它会变得更僵硬和更强,但当您进行日常运动时,它会变得灵活。 它们既不是一成不变的僵化,也不是一成不变的灵活。 它们只对你的身体动作做出反应。”

正如前面提到的,制作欧不裂是简单易行的。 将一份水和两份玉米淀粉混合,再加一点食用色素,就得到了欧不裂,它的行为要么是液体,要么是固体,具体取决于施加的压力大小。 当它是液体时,缓慢而稳定地搅拌。 用力击打它,它会在你的拳头下变得更加坚实。 它是非牛顿流体的典型例子。

完美液体粘度很大程度上取决于温度和压力:无论其他作用力如何,例如搅拌或混合,水都会继续流动。 在非牛顿流体中,粘度会随着施加的压力或剪切力而变化,从而跨越流体和固体行为之间的界限。 移动一杯水会产生剪切力,水剪就会移开。 粘度保持不变。 但对于非牛顿流体,例如不透明流体,当施加剪切力时,粘度会发生变化。

例如,番茄酱是一种具有剪切稠度的非牛顿流体,这就是为什么撞击瓶底并不能让番茄酱更快地流出的原因之一。 施加力会增加粘度。 其他例子还有酸奶、肉汤、浆液和布丁。 欧不裂也是如此。 (这个名字来自苏斯博士1949年的儿童读物, 巴塞洛缪和欧不裂.)相比之下,不滴水涂料表现出“剪切稀化”效果,可以很容易地被刷掉,但一旦涂到墙上就会变得更加粘稠。 去年,麻省理工学院的科学家 他证实 颗粒之间的摩擦对于从液体到固体的转变至关重要,决定了摩擦力达到一定程度且粘度突然增加时的转折点。

吴在材料科学家 Yu (Jessica) Wang 的实验室工作,她决定尝试在聚合物材料中模拟欧不裂的剪切增稠行为。 柔性聚合物电子产品通常是通过连接共轭导电聚合物制成的,这些聚合物又长又薄,就像意大利面条一样。 但这些材料仍然会因特别大和/或快速的影响而分解。

因此,Wu 和 Wang 决定将意大利面条状聚合物与较短的聚苯胺分子和聚苯乙烯磺酸盐(3,4-乙烯二氧噻吩)或 PEDOT:PSS(总共四种不同的聚合物)结合起来。 四个中的两个带正电荷,两个带负电荷。 他们使用这种混合物制造可拉伸薄膜,然后测试其机械性能。

这些薄膜的行为很像欧不裂,在受到冲击时会变形和拉伸,而不是分解。 王将该结构比作一大碗意大利面条和肉丸,因为带正电的分子不喜欢水,因此会组装成微观的球状结构。 她和吴认为这些微观结构吸收碰撞能量并变平而不解体。 不需要太多的 PEDOT:PSS 即可获得这种效果:只需 10% 就足够了。

其他实验发现了一种更有效的添加剂:带正电的 1,3-丙二胺纳米颗粒。 这些颗粒可以削弱聚合物的“肉丸”相互作用,使其能够因冲击而进一步变形,同时增强长的、交联的、意大利面条状聚合物之间的相互作用。

下一步是将他们的聚合物薄膜应用于智能表带和传感器等可穿戴电子产品,以及用于健康监测的柔性电子产品。 Wang 的实验室还试验了一种与 3D 打印兼容的新材料,从而开辟了更多机会。 “有许多潜在的应用,我们很高兴看到这种非传统的新特性将我们带向何方。” 王说

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