Форма

Электроника, которая может сгибаться, растягиваться и восстанавливаться самостоятельно, потенциально может работать в самых разных приложениях: от более мощных роботов до умной одежды.

Машины, меняющие форму, уже давно стали основным продуктом научной фантастики – и на это есть веские причины. Рассмотрим силу злодейской машины для убийств в фильме 1991 года «Терминатор 2: Судный день». Когда прибывает жидкометаллический Т-1000, герои быстро понимают, что у них есть две большие проблемы: во-первых, их враг может трансформироваться, превращая человеческие придатки в смертоносные клинки. Во-вторых, проделывание дыр в машине практически не замедляет ее; оно может исцелить себя!

Самовосстанавливающиеся машины уже среди нас. Конечно, реальность не совсем соответствует Т-1000, но ученые обнаружили, что две возможности вымышленной машины тесно связаны. «Фундаментальная наука, которая порождает самовосстанавливающиеся материалы, — это то же самое поведение, которое позволяет им менять форму», — говорит Женань Бао, инженер-химик из Стэнфордского университета. А в последние месяцы ученые разработали новую разновидность материалов, способных, помимо прочего, исцелять и изменять свою форму. Исследователи использовали эти вещества для создания новых типов электроники, которые можно найти в робототехнике, биоэлектронных интерфейсах, носимых устройствах и современных дисплеях. Эти машины также могут быть более экологически чистыми, чем машины, изготовленные из традиционных материалов, таких как кремний и металл.

Наука о самовосстанавливающихся материалах насчитывает почти два столетия, но настоящий расцвет она получила в 1970-х годах. Именно тогда исследователи начали изучать потенциал самовосстановления полимеров — больших молекул, состоящих из повторяющихся частей, подобно тому, как цепь состоит из звеньев. Состав основной полимерной цепи молекулы, или «основы», определяет ряд свойств, включая прочность и эластичность молекулы. Некоторым излечимым полимерам требуется триггер, такой как воздействие определенной температуры, света или давления, чтобы восстановить разорванные связи. Другие исцеляются спонтанно. Эти «динамические» полимеры используют более слабые молекулярные связи, чем в большинстве стабильных молекул. Например, многие динамические материалы удерживаются вместе водородными связями, в которых положительно заряженные атомы водорода притягивают другие отрицательно заряженные атомы. «Что хорошо в водородных связях, так это то, что они спонтанны», — говорит Кармель Маджиди, инженер-механик из Университета Карнеги-Меллон. «Вам не нужно плавить или нагревать материалы; они просто образуют эти связи при контакте».

Слабые связи придают таким материалам интересные свойства. «Выглядит как твердое тело. А если очень быстро его растянуть, то он ломается, как твёрдое. Но если его держать, он капает, как жидкость», — говорит Бао. «Молекулы не зафиксированы на месте, поэтому эти полимерные сети постоянно формируются и диссоциируют». Эта распущенность позволяет добиться самоисцеления. «Когда мы повреждаем материал, связи разрываются. Но когда вы соединяете детали вместе, эти водородные связи образуются очень легко, и материал восстанавливает свои механические свойства», — говорит Бао.

Тот же принцип лежит в основе растягиваемой электроники. «Эти динамические связи позволяют нам растягивать материал в несколько сотен раз по сравнению с его первоначальным размером, потому что связи могут разрываться и восстанавливаться», — говорит Бао. Использование нескольких типов связок разной прочности позволяет получить одновременно гибкие и прочные материалы.

Однако для использования в электронике материалам нужны другие свойства. Во-первых, они должны быть хорошими проводниками. Однако большинство полимеров являются изоляторами. Одним из решений является добавление к полимеру металлических частиц, нанопроволок или углеродных нанотрубок, чтобы сделать растягивающийся материал проводящим. Бао и ее коллеги использовали такие подходы для создания самовосстанавливающейся «электронной кожи», которая соответствует телу и способна измерять давление и напряжение, а также измерять частоту сердечных сокращений.

Другое решение – жидкие металлы. В исследовании, опубликованном ранее в этом году, Маджиди и его коллеги ввели микрокапли жидкого сплава в полимерный гель, усеянный серебряными хлопьями. Полученный материал оказался растяжимым, самовосстанавливающимся и достаточно проводящим, чтобы приводить в действие двигатель мягкого робота. «Конечная цель — создать электронные и роботизированные системы, которые охватывают все свойства биологических тканей», — говорит Маджиди, — «не только с точки зрения функциональности, но также устойчивости и самовосстановления».