Weiche Elektronik trotzt mechanischer Kraft

So sieht das neue Material aus, das mechanischen Kräften trotzt (Foto: ucmerced.edu)

Merced (pte020/03.06.2024/12:30) - Forscherin Yue (Jessica) Wang von der University of California Merced ( https://www.ucmerced.edu/ ) und ihr Kollege Di Wu haben ein neuartiges Material entwickelt, das weich und elektrisch leitend ist, auf Druck und Dehnung aber auf ungewöhnliche Weise reagiert: Es wird fester, statt zerstört zu werden. Bisher sind Elektronik und die zugehörigen Kabel üblicherweise hart und stabil, was für weiche Roboter und tragbare Geräte, etwa zur Gesundheitsüberwachung, nicht gerade optimal ist. Es gibt allerdings auch weiche Elektronik, die sich dem Körper anpasst. Doch sie versagt sehr schnell, wenn ein Stoß sie erschüttert oder sie überdehnt wird.

Maisbrei als Vorbild

"Wenn ich Maisstärke und Wasser langsam umrühre, kann ich den Löffel leicht bewegen. Aber wenn ich den Löffel herausnehme und dann wieder hineinstecke, spüre ich einen Widerstand. Es ist, als würde ich auf eine harte Oberfläche treffen", so Wang. Dieser Brei wechsele je nach der ausgeübten Kraft von verformbar zu fest. Genau das haben die beiden Wissenschaftler bei der Komposition ihres neuen Werkstoffs nachgeahmt.

Wang setzt auf sogenannte konjugierte Polymere. Das sind organische Makromoleküle, die sich wie Halbleiter verhalten. In Reinform sind sie mechanischer Belastung allerdings nicht gewachsen. Deshalb haben Wang und Wu nach einer Kombination verschiedener konjugierter Polymere gesucht, die sich wie Maisbrei an die Kraft anpassen, die auf sie wirkt.

Mix aus vier Polymeren

Die Forscher stellten eine wässrige Lösung aus vier verschiedenen Polymeren her. Diese verteilten sie auf einer Unterlage und ließen sie trocknen. Jetzt hatten sie einen elektrisch leitfähigen Film. In Härtetests stellten sie fest, dass das Material bei sehr schnellen Stößen nicht auseinanderbricht, sondern sich verformt oder dehnt. Je schneller der Aufprall, desto dehnbarer und zäher wurde die Folie.

Die vier Polymere, zwei mit positiver und zwei mit negativer Ladung, verknäueln sich wie Spaghetti und Fleischbällchen in einer Schüssel. "Da die positiv geladenen Moleküle kein Wasser mögen, verklumpen sie zu fleischbällchenähnlichen Mikrostrukturen", sagt Wu. Diese "Fleischbällchen" absorbieren die Energie eines Aufpralls und werden bei einem Treffer flacher, brechen aber nicht auseinander.

Zu den möglichen Anwendungen gehören laut den Wissenschaftlern weiche Wearables wie integrierte Armbänder und Rückseitensensoren für Smartwatches, flexible Elektronik für die Gesundheitsüberwachung, wie Herz-Kreislauf-Sensoren oder kontinuierlich arbeitende Blutzuckermessgeräte.

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