研究人員創(chuàng)造了具有增強特性的柔軟 柔韌的材料

來自卡內(nèi)基梅隆大學的聚合物化學家和工程師團隊開發(fā)了一種新方法，可用于制造一類具有增強的電學和熱學性能的可拉伸聚合物復合材料。這些材料是用于軟機器人，自我修復電子和醫(yī)療設備的有希望的候選材料。結果發(fā)表在5月20日的Nature Nanotechnology雜志上。

在這項研究中，研究人員將他們在基礎科學和工程方面的專業(yè)知識結合起來，設計出一種方法，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，多功能的復合材料，具有高水平的熱穩(wěn)定性和導電性。

Carmel Majidi是卡內(nèi)基梅隆大學機械工程教授和軟機械實驗室主任，他開展了大量研究，開發(fā)可用于生物醫(yī)學和其他應用的新型軟質(zhì)材料。作為這項研究的一部分，他開發(fā)了用納米級液態(tài)金屬液滴種植的橡膠復合材料。這些材料看起來很有希望，但他用來組合這些組分的機械混合技術產(chǎn)生的材料組成不一致，因此性能不一致。

為了克服這個問題，Majidi轉(zhuǎn)向卡內(nèi)基梅隆高分子化學家和JC華納大學自然科學教授Krzysztof Matyjaszewski，他于1994年開發(fā)了原子轉(zhuǎn)移自由基聚合(ATRP).ATRP是第一種也是最強大的可控聚合方法，它使科學家能夠?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，你的材料都會以相同的方式工作，”Matyjaszewski說。“ATRP已被證明是一種創(chuàng)造具有一致，可靠結構和獨特性能的新材料的強大工具。”

Majidi，Matyjaszewski和材料科學與工程教授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合。結果，液態(tài)金屬均勻地分散在整個彈性體中，產(chǎn)生具有高彈性和高導熱性的材料。

Matyjaszewski還指出，在聚合物接枝之后，eGaIn的結晶溫度從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。“這在以前沒有做過。它為未來的材料發(fā)現(xiàn)打開了大門。”

研究人員設想，這個過程可以用來將不同的聚合物與液態(tài)金屬結合起來，通過控制液態(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，但研究人員認為，借助人工智能，他們的方法可用于設計具有定制特性的“按訂單生產(chǎn)”的彈性體復合材料。結果將是一類新的材料，可用于各種應用，包括軟機器人，人造皮膚和生物兼容的醫(yī)療設備。