Elektrisch leitfähiges, selbstheilendes Material

Eine Gruppe von Wissenschaftlern der University of Texas in Austin, USA, hat unter der Leitung von Yu Guihua einen flexiblen Stromkreis auf der Basis eines speziellen Gels entwickelt, das, wenn es in zwei Teile geschnitten wird, vollständig selbstheilend ist und seine ursprüngliche elektrische Leitfähigkeit wieder aufnimmt.

Das neue Gel hat eine Kombination von Eigenschaften, die zuvor nicht zusammen erreicht wurden. Es ist Flexibilität, hohe elektrische Leitfähigkeit und die Fähigkeit zur Selbstreparatur bei Raumtemperatur. Eine solche Lösung eröffnet eine breite Palette möglicher Anwendungen: flexible Elektronik, Robotik, elektrische Batterien und sogar weiche Kunstleder- und biomimetische Prothesen.

Die Eigenschaft des neuen Gels wird durch zwei gelartige Bestandteile seiner Substanz bereitgestellt: ein supramolekulares Gel (oder "Supergel") und eine Matrix eines leitfähigen Polymerhydrogels, in das das supramolekulare Gel eingeführt wird. So werden die physikalischen und chemischen Eigenschaften jeder Komponente kombiniert.

Das eingeführte Supergel ermöglicht die Selbstheilung dank seiner supramolekularen chemischen Struktur, deren Besonderheit darin besteht, dass nicht einzelne Moleküle, sondern großmolekulare Verbindungen die Bestandteile der Struktur sind.

Diese großen Unterstrukturen werden durch Kräfte zusammengehalten, die viel kleiner als einzelne Moleküle sind, so dass ihre Wechselwirkungen, wie z. B. die Trennung, leicht reversibel sind. Es stellt sich als "dynamischer Klebstoff" heraus, der sich während der Trennung wieder vereinigen kann.

Währenddessen bietet das leitfähige Hydrogel aufgrund seiner dreidimensionalen Struktur Leitfähigkeit. Die dreidimensionale Struktur erleichtert den Transport von Elektronen. Darüber hinaus verbessert das Hydrogel wie die Wirbelsäule die Festigkeit und Elastizität des Verbundgels. Wenn ein Supergel in die Hydrogelmatrix eingeführt wird, fließt es so um das Hydrogel herum, dass es ein zweites Netzwerk bildet, wodurch die Integrität des Hybridgels weiter verbessert wird.

Die Wissenschaftler führten ihre Experimente zur Überprüfung der elektrischen Eigenschaften dünner Filme eines auf flexiblen Kunststoffsubstraten abgeschiedenen Hybridgels durch. Studien haben gezeigt, dass die Leitfähigkeit des neuen Gels eine der höchsten unter leitfähigen Gelen ist und dies auch dank der Fähigkeit des Gels bleibt, sich selbst nach wiederholtem Biegen und Strecken selbst zu reparieren.

Wissenschaftler haben gezeigt, dass sich ein Stromkreis aus einem Hybridgel nach einer Minute von selbst erholt und die elektrische Leitfähigkeit dieselbe ist wie vor dem Schnitt. Dies geschieht auch nach wiederholtem Schneiden an derselben Stelle.

Laut Forschern wird das von ihnen erfundene Hybridgel viele Anwendungen finden, bis hin zu implantierbaren Biosensoren, bei denen selbstheilende Elektroden einfach erforderlich sind, um die Haltbarkeit der Vorrichtung sicherzustellen. Das Gel kann leicht zur Verstärkung von Elektroden verwendet werden Lithium-Ionen-Batterien hohe Kapazität.

Die Entwickler des neuen leitfähigen Gels sind zuversichtlich, dass ihr Ansatz zur Kombination von supramolekularer Chemie mit Polymer-Nanowissenschaften eine Strategie für die Entwicklung neuer selbstheilender Materialien schafft. Sie planen, die grundlegenden Mechanismen der Selbstheilung zu untersuchen, um die Schlüsselfaktoren für Ionen verschiedener Metalle, die Geometrie von Molekülen, die Wechselwirkung von Supramolekülen mit verschiedenen Lösungsmitteln und die Auswirkungen auf die Eigenschaften der Selbstheilung besser zu verstehen. Dies wird zur Verbesserung neu entwickelter Materialien beitragen.

Der Leiter der Gruppe, Yu.Guihua, stellte fest, dass besondere Anstrengungen unternommen werden, um groß angelegte Strategien zur Herstellung selbstheilender leitfähiger Gele mit besseren Eigenschaften wie mechanischer Festigkeit und Elastizität zu entwickeln, damit die Verwendung leitfähiger selbstheilender Gele in vielen verschiedenen technologischen Bereichen, einschließlich Elektronik, Energie und Sicherheit, möglich wird Umwelt und Gesundheit.