Ни единого разрыва: как устроены эластичные проводники с частицами золота

В университете штата Мичиган создали эластичные проводники с наночастицами золота. Они способны растянуться в четыре раза в продольном и поперечном направлении. Их можно многократно подвергать механическим нагрузкам без риска обрыва контакта. Применяемые при их изготовлении материалы не боятся воды и демонстрируют высокую биологическую совместимость.

Образец материала из наночастиц золота и полиуретана (фото: Joseph Xu, Michigan Engineering)
Образец материала из наночастиц золота и полиуретана (фото: Joseph Xu, Michigan Engineering)

Как бы ни была совершенна современная электроника, её функциональные возможности сильно ограничивают физические свойства компонентов, и в первую очередь – проводников. Мобильные, носимые и частично имплантируемые устройства испытывают на себе серьёзные механические нагрузки. Даже в относительно статичных системах всегда есть вибрации и тепловое расширение/сжатие материала, нередко приводящее к нарушению целостности электрической цепи.

Проводникам давно пытались придать хотя бы часть описанных в изобретении свойств. Их составляли из множества изогнутых волокон и скручивали в спираль, чтобы увеличить эластичность хоть на несколько процентов. Исследователи экспериментировали с металлами в жидкой фазе и сетчатыми структурами, но не достигли в этом направлении сколь-нибудь существенных успехов.

Старания многих коллективов не были напрасными. Помимо исключения малоперспективных направлений исследования в области эластичных проводников, таким образом были созданы новые типы микроэлектромеханических систем. Среди них сверхчувствительные датчики давления для электронных весов, охранных систем и искусственной кожи роботов.

Пожалуй, наиболее значимым практическим результатом до недавнего времени оставалась работа группы инженеров из университета Северной Каролины. Их эластичные провода выдерживали растяжение до восьми раз.

В этом исследовании оболочка проводника выполнялась из эластичного полимера с высокими диэлектрическими свойствами. Внутрь заливался сплав индия и галлия. При растяжении эвтектический расплав быстро заполнял полость удлинившегося канала и практически мгновенно перераспределялся вновь при последующем сжатии, сохраняя высокую электрическую проводимость.

Помимо высокой себестоимости у этой разработки оказался и другой серьёзный минус. Провода оказались малоустойчивы к повторным нагрузкам, и дорогой металл со временем вытекал через повреждения в оболочке. Попытка ограничить потери с помощью сетчатых вставок внутри канала частично решила проблему, но в результате сильно повышалось сопротивление.

Выход был найден другой группой, решившей отказаться от жидкого металла в пользу наночастиц золота. Они послойно вкраплены в полиуретановую основу методом флокуляции. Высокая электрическая проводимость при растяжении сохраняется за счёт динамической самоорганизации наночастиц.

Проще говоря, при любых изгибах и растяжении они быстро выстраиваются в цепочку, сохраняя целостность. Плотный контакт между частицами при этом не требуется. В таких масштабах расстояний электроны могут туннелировать, перемещаясь от одной наночастицы к другой подобно человеку, перепрыгивающему реку по камням.

Предположения о самоорганизации наночастиц в таких условиях были подтверждены методами электронной микроскопии. Характер влияния степени растяжения на величину электропроводности близок к линейному. При максимальном растяжении сопротивление возрастает примерно в десять раз, но в реальных условиях столь сильные потери обычно будут кратковременными.

Эластичный материал из наночастиц золота и полиуретана (фото: Joseph Xu, Michigan Engineering)
Эластичный материал из наночастиц золота и полиуретана (фото: Joseph Xu, Michigan Engineering)

Более важный вопрос заключается в том, как меняется сам характер сопротивления по мере растяжения такого проводника. Помимо омического, связанного с удельным сопротивлением материала, в определённые моменты возрастает доля ёмкостного и индуктивного.

При необходимости из наночастиц золота в полиуретановом слое можно изготовить резистор с переменным сопротивлением. В отличие от варистора его характеристики будут меняться не от приложенного напряжения, а от линейных размеров.

Внешне образец такого материала выглядит как лист золотой фольги. Иллюзия исчезает, стоит только потянуть за края. Фольга моментально разорвётся, а эластичный проводник вытянется, и затем примет исходные размеры.

Созданный материал представляет исключительную ценность для робототехники, разработки носимых компьютеров, одежды с вплетёнными электронными компонентами и множества имплантируемых устройств, включая водители ритма, бионические протезы глаз и электроды интерфейса мозг-компьютер.








Интересные новости
Вплине на вимірювання часу: танення льодовиків сповільнило обертання ЗемліВплине на вимірювання часу: танення льодовиків сповільнило обертання Землі
Вчені розповіли, чому «зірки-невдахи» часто самотніВчені розповіли, чому «зірки-невдахи» часто самотні
Блок рекламы


Похожие новости

Полупроводники смогли удивить: они могут вести себя как металлы и как сверхпроводники
В Японии разработаны эластичные солнечные панели для «умной одежды»
Ученые раскрыли секрет рождения всех запасов золота и урана Вселенной
Американские учёные создали эластичные сенсорные волокна
"Хаббл" увидел, как белый карлик разрывает на части гигантскую мега-комету
Графен поможет выращивать уникальные двумерные полупроводники
В Турции обнаружена тысячелетняя Библия с изображениями из сусального золота
Разработана новая мембрана с наночастицами для очистки воды
Бактерии создали крупнейшее месторождение золота на Земле
Золотая обманка вместо кремния в солнечных батареях - материал перспективный
Последние новости

Подгружаем последние новости