Исследователи разработали мягкие тянущиеся «желейные батарейки», которые могут использоваться для носимых приспособлений или мягкой робототехники, или даже вживляться в мозг для транспорта препаратов или лечения таких заболеваний как эпилепсия.
Исследователи из Кембриджского университета вдохновились электрическими угрями, которые шокируют свою добычу модифицированными клетками мышц под названием электроциты.
Подобно электроцитам, желеобразные материалы, разработанные исследователями из Кембриджа, обладают слоистой структурой, вроде липкого Lego, которая наделяет их способностью вырабатывать электрический ток.
Самовосстанавливающиеся желейные батарейки могут растягиваться до десяти раз больше своей изначальной длины без ухудшения проводимости – подобная растяжимость и проводимость соединены в одном материале впервые. Результаты опубликованы в журнале Science Advances.
Желейные батарейки выполнены из гидрогелей: 3D—сетей полимеров, содержащих свыше 60% воды. Эти полимеры соединяются обратимыми вкл/выкл—взаимодействиями, которые контролируют механические свойства желе.
Способность точно контролировать механические свойства и имитировать свойства человеческой ткани делает гидрогели идеальными кандидатами для мягкой робототехники и биоэлектроники; однако для такого рода применений они должны быть как проводимыми, так и тянущимися.
«Сложно разработать материал, который одновременно обладает высокой растяжимостью и высокой проводимостью, поскольку два эти свойства обычно не ладят друг с другом», — говорит первый автор Стивен О’Нил с химического факультета Юсуфа Хамида Кембриджского университета. «Как правило, при растяжении материала проводимость снижается».
«Обычно гидрогели состоят из полимеров с нейтральным зарядом, но если мы их зарядим, они становятся проводниками», — говорит соавтор д—р Джейд МакКьюн, также с химического факультета. — И заменив солевой компонент каждого геля, мы можем сделать их липкими и сплюснуть их в несколько слоёв, чтобы наработать высокий энергетический потенциал».
В обычной электронике используются жёсткие металлические материалы, где электроны являются носителями заряда, в то время как в желейных батареях в качестве носителя заряда используются ионы, так же, как у электрических угрей.
Гидрогели крепко соединены друг с другом благодаря обратимым связям, образующимся между различными слоями, используя бочкообразные молекулы под названием кукурбитурилы, которые похожи на молекулярные наручники. Сильная адгезия между слоями, обеспечиваемая этими молекулярными наручниками, позволяет желейным батареям растягиваться не расслаиваясь и, главное, без какого—либо снижения проводимости.
Благодаря своим свойствам желейные батарейки имеют большие перспективы для будущего применения в биохимических имплантах, поскольку они мягкие и уподобляются человеческой ткани. «Мы можем модифицировать механические свойства гидрогелей так, чтобы они соответствовали человеческой ткани», — говорит проф. Орен Шерман, директор Меллвиловской лаборатории синтеза полимеров, руководивший исследованием совместно с проф. Джорджем Маллиарас с факультета инженерного проектирования. — Поскольку в них не содержится жёстких компонентов вроде металла, импланты из гидрогелей с меньшей вероятностью будут отторгаться организмом или являться причиной нарастания рубцовой ткани».
Помимо своей мягкости, гидрогели также на удивление прочны. Они могут выдерживать сжатие, не теряя навсегда своей изначальной формы, и могут самовосстанавливаться при повреждениях.
Учёные планируют будущие эксперименты с целью протестировать гидрогели на живых организмах, чтобы оценить их стабильность для ряда применений в медицине.
Исследование Исследование финансировалось Европейским исследовательским советом и Исследовательским советом по инженерным и техническим наукам (EPSRC), выходящим в Программу по поддержке исследований и инноваций в Великобритании (UKRI). Орен Шерман – стипендиат Колледжа Иисуса в Кембридже.
Перевод — Андрей Прокипчук, «XX2 ВЕК». Источники.
Материалы предоставлены Кембриджским университетом.
Оригинальный текст и эта история лицензированы по Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.
Вам также может быть интересно:
