Наверняка любой, кто в последнее время заходил в интернет, видел анонсы, обзоры, статьи или рекламу одной из самых громких игр года. Некоторые даже знают, что одним из ключевых нарративных моментов и важнейшей геймплейной особенностью игры является использование некоего “полимера” — особой гелеобразной субстанции, способной под воздействием внешних сил изменять свою форму и цвет, приобретать электропроводность и другие необычные и почти магические свойства. Но мало кто знает, что нечто подобное уже существует на самом деле, причём уже достаточно давно.
Думаю, ни для кого не секрет, что далеко не все материалы даже в современной промышленности способны полностью удовлетворить потребности людей. Так, в робототехнике стоит сразу несколько проблем: эластичность материалов, уменьшение массы, ускорение конструирования, восстановление повреждений и увеличение универсальности и функциональности конструкций. Часть из этих вопросов может решить бионика (т.е. конструирование природообразных систем), однако перед ней ещё острее встаёт вопрос материалов. И не только в робототехнике.
Одной из задач науки является разработка гибкого электропроводящего материала. Зачем? Ну, например, для экономии металла в проводах. Согласитесь, сосудоподобные трубки с жидкостью могут освободить несколько тонн металла на более важные нужды. А ещё подобные трубки более стойкие — думаю, многие сталкиваются с проблемой изнашивания и залома проводов (в том числе у зарядок и наушников), когда металлическая часть со временем приходит в негодность и разрывает цепь, а то и вовсе становится причиной короткого замыкания. Эластичные трубки же смогут выдерживать гораздо больше сгибов, а при пережатии быстро восстановят свою функцию после исчезновения давления. Как же это реализовать?
Многие учёные по всему миру разрабатывают технологии наподобие “электрогеля”. Есть несколько путей, которых можно придерживаться.
1. Добавить в плохо проводящую жидкость проводящие частицы металла. Механизм здесь схож с тем, что вы могли видеть на уроках физики и химии, посвящённых электролитической диссоциации. Растворённые в воде соли, например, поваренная, превращаются в противоположно заряженные ионы, и при подаче электрического тока на электроды эти ионы выступают в роли переносчиков заряда с одного электрода на другой, свободно передвигаясь в растворителе. Только в нашем случае вместо привычного хлорида натрия используют разнообразные сложные органические соли, азотные соединения серебра или вовсе цельные частицы чистого металла (серебряные чешуйки, микрошарики золота или бромида цинка и т.п.). Однако проводимость таких систем весьма низкая, соли могут диссоциировать и безвозвратно осесть на электродах, а частицы металлов порвать стенки трубок.
2. Гидрогель с ионами. В данном случае в качестве среды используют не воду, а гидрогель или коллоидный раствор, а в качестве переносчика электричества — чистые ионы металлов. Но обычные гидрогели под действием постоянного тока зачастую теряют свою структуру с течением времени, а наличие свободных ионов металлов может привести к порче внутренней поверхности трубок.
3. Органические гель-системы и биомолекулы. Науке давно известно, какие вещества в живых клетках отвечают за их электропроводность. И их немало: в одной только дыхательной цепи митохондрий участвует более десятка молекул, в числе которых небезызвестный убихинон (кофермент Q10). В качестве среды же используют сложные органические полимерные составы, напоминающие цитоплазму клеток.
4. Гели без жидкостей. Вот на этом мы остановимся отдельно.
Так, в Тульском государственном университете разработали гидрогелевую плёнку-сенсор на основе хитозана (органический полимер), а переносчиком в ней выступает ферроценкарбоксальдегид — сложная молекула, содержащая атом железа. Плюсом такой плёнки является дешевизна (хитозан можно получать в больших количествах из графитовой золы, а ту — из отходов производства) и простота создания, а также высокая чувствительность (авторы оригинального исследования разрабатывали глюкозный сенсор). Минусы — недолговечность и хрупкость сенсора (плёнку наносят на графитовую матрицу).
Другое исследование как раз предполагает не просто более прочный материал, но самовосстанавливающийся.
Исследование так и называется: «A self-healing electrically conductive organogel composite», то есть, «Самолечащийся электропроводный органогелевый композит». Тут мы уже видим не просто гидрогель, а органогель — то есть сложную полимерную структуру, имитирующую некоторые свойства органических тканей. Такие, например, используют в медицине для заживляющих повязок от ожогов.
Но что значит «самозаживающий» или «самолечащийся»?
Дело в том, что данный органогель состоит из тяжёлых полимерных органических молекул, которые сами по себе обладают большой адгезией. Будучи разъединёнными повреждением, при сближении фрагментов молекулы снова слипаются, диффундируют друг в друга и восстанавливают общую структуру — никакой специальной починки, склейки и спайки здесь не требуется.
При этом есть два типа самозаживающих полимеров (SHp): с активным и пассивным механизмом заживления. Активные или неавтономные требуют внешнего воздействия, чтобы начать восстанавливаться (подача тока, УФ-облучение, нагрев и т.п.). Пассивные или автономные затягиваются сами по себе или под действием непосредственно повреждений (например, уплотняющиеся при давлении).
В качестве переносчика электронов в таких гелях могут также использоваться разнообразные металлические микро- и наносферы, микрохлопья (серебро) и микрокапли (галлий) или некоторые молекулы, способные менять свою структуру под действием тока.
А как же высыхание? Гидрогели же подразумевают наличие воды в составе. Да и далеко не все органические молекулы растворяются в воде.
У этого тоже есть решение. Например, использование вместо воды этиленгликоля или аналогичного вещества решает обе проблемы.
А вот уровень электропроводности таких систем пока низкий. Хотя цифры в 7 × 10^4 см*м^–1 выглядит внушительно, современные роботы требуют в разы более мощные потоки. Впрочем, всё ещё впереди.
Ах, да. На основе таких гидрогелей уже делают небольшие электроды для бионических конечностей, элементы кардиостимуляторов и экспериментальных роботов. Например, робо-змею, вовчика и робо-улитку.
Харькова Анна Сергеевна, Андреева Анна Дмитриевна, Арляпов Вячеслав Алексеевич Разработка электропроводящего гидрогеля на основе хитозана и медиатора электронного транспорта ферроценкарбоксальдегида // Известия ТулГУ. Естественные науки. 2018. №3.
Zhao, Y., Ohm, Y., Liao, J. et al. A self-healing electrically conductive organogel composite. Nat Electron 6, 206–215 (2023).
Seppe Terryn, Jakob Langenbach et al. A review on self-healing polymers for soft robotics. Materials Today, Volume 47, 2021, 187-205
Zhang, J.; Wang, Y.; Wei, Q.; Wang, Y.; Lei, M.; Li, M.; Li, D.; Zhang, L.; Wu, Y. Self-Healing Mechanism and Conductivity of the Hydrogel Flexible Sensors: A Review. Gels 2021, 7, 216.
Текст: #Хигерович@inbioreactor
Редактура: #li_za_ve@inbioreactor
