Maggio 23, 2024

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Questo materiale elettronico elastico si indurisce all'impatto proprio come un “oobleck”

Questo materiale elettronico elastico si indurisce all'impatto proprio come un “oobleck”
Ingrandire / Questo materiale flessibile e conduttivo ha “tenacità adattiva”, il che significa che diventa più forte quando viene colpito.

Yu (Jessica) Wang

Gli scienziati sono ansiosi di sviluppare nuovi materiali per dispositivi elettronici indossabili leggeri, flessibili e convenienti, in modo che un giorno la caduta dei nostri smartphone non causi danni irreparabili. Un team dell'Università della California, Merced, ha creato film polimerici conduttivi che in realtà diventano più rigidi in risposta all'impatto anziché disintegrarsi, proprio come mescolare amido di mais e acqua nelle giuste quantità produce un impasto che è liquido se mescolato lentamente ma si indurisce quando viene perforato. (cioè “oobleck”). Hanno descritto il loro lavoro in un discorso tenutosi all'incontro di questa settimana dell'American Chemical Society a New Orleans.

“L’elettronica basata sui polimeri è molto promettente”, ha affermato De Wu, ricercatore post-dottorato in scienza dei materiali presso l’UCLA. “Vogliamo rendere l’elettronica polimerica più leggera, più economica e più intelligente. [With our] Sistema, [the polymers] Può diventare più rigido e più forte quando fai un movimento improvviso, ma è flessibile quando fai il movimento quotidiano di routine. Non sono né costantemente rigidi né costantemente flessibili. Rispondono solo ai movimenti del tuo corpo.”

Come accennato in precedenza, creare oobleck è semplice e facile. Mescola una parte di acqua con due parti di amido di mais, aggiungi un po' di colorante alimentare per divertimento e hai Oobleck, che si comporta come un liquido o un solido, a seconda della quantità di pressione applicata. Mescola lentamente e costantemente mentre è liquido. Colpiscilo forte e diventerà più solido sotto il tuo pugno. È un classico esempio di fluidi non newtoniani.

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In Liquido perfettoLa viscosità dipende in gran parte dalla temperatura e dalla pressione: l'acqua continuerà a scorrere indipendentemente dalle altre forze che agiscono su di essa, come l'agitazione o la miscelazione. Nei fluidi non newtoniani, la viscosità cambia in risposta ad una pressione applicata o ad una forza di taglio, superando così i confini tra comportamento fluido e solido. Lo spostamento di una tazza d'acqua produce una forza di taglio e le cesoie dell'acqua si spostano. La viscosità rimane invariata. Ma per i fluidi non newtoniani come quelli opachi, la viscosità cambia quando viene applicata la forza di taglio.

Il ketchup, ad esempio, è un fluido non newtoniano molto spesso, motivo per cui colpire il fondo della bottiglia non fa uscire il ketchup più velocemente; L'applicazione della forza aumenta la viscosità. Yogurt, brodo, liquame e budino sono altri esempi. E lo stesso vale per Oobleck. (Il nome deriva dal libro per bambini del Dr. Seuss del 1949, Bartolomeo e Oobleck.) Al contrario, la vernice antigoccia presenta un effetto di “diluizione al taglio”, può essere rimossa facilmente con un pennello ma diventa più viscosa una volta applicata al muro. L'anno scorso, gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology Lo ha confermato L'attrito tra le particelle era cruciale nel passaggio dal liquido al solido, determinando il punto di svolta quando l'attrito raggiunge un certo livello e la viscosità aumenta improvvisamente.

Wu lavora nel laboratorio della scienziata dei materiali Yu (Jessica) Wang, che ha deciso di provare a imitare il comportamento di ispessimento al taglio dell'oobleck in un materiale polimerico. I componenti elettronici polimerici flessibili vengono generalmente realizzati collegando polimeri conduttivi coniugati, che sono lunghi e sottili, come gli spaghetti. Ma questi materiali continueranno a deteriorarsi in risposta a impatti particolarmente grandi e/o rapidi.

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Così Wu e Wang hanno deciso di combinare i polimeri simili a spaghetti con molecole di polianilina più corte e polistirene solfonato (3,4-etilendiossitiofene), o PEDOT:PSS, quattro diversi polimeri in tutto. Due dei quattro hanno una carica positiva e due hanno una carica negativa. Hanno usato questa miscela per realizzare pellicole estensibili e poi hanno testato le proprietà meccaniche.

I film si comportano in modo molto simile a un oobleck, deformandosi e allungandosi in risposta all'impatto anziché disintegrarsi. Wang ha paragonato la struttura a una grande ciotola di spaghetti e polpette, perché le molecole caricate positivamente non amano l'acqua e quindi si assemblano in strutture microscopiche simili a palline. Lei e Wu suggeriscono che queste microstrutture assorbono l'energia della collisione e si appiattiscono senza disintegrarsi. Non ci vuole molto PEDOT:PSS per ottenere questo effetto: è bastato solo il 10%.

Ulteriori esperimenti hanno identificato un additivo più efficace: nanoparticelle di 1,3-propandiamina caricate positivamente. Queste particelle possono indebolire le interazioni delle “polpette” dei polimeri abbastanza da poterli deformare ulteriormente in risposta agli impatti, rafforzando al contempo le interazioni tra i lunghi polimeri reticolati simili a spaghetti.

Il prossimo passo è applicare le loro pellicole polimeriche a dispositivi elettronici indossabili come cinturini e sensori per orologi intelligenti, nonché a dispositivi elettronici flessibili per il monitoraggio della salute. Il laboratorio di Wang ha anche sperimentato una nuova versione del materiale che sarebbe compatibile con la stampa 3D, aprendo maggiori opportunità. “Esistono numerose potenziali applicazioni e siamo entusiasti di vedere dove ci porterà questa nuova proprietà non convenzionale”. Wang ha detto.