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Dieses dehnbare elektronische Material verhärtet sich beim Aufprall wie ein „Oobleck“.

Hineinzoomen / Dieses flexible und leitfähige Material verfügt über eine „adaptive Zähigkeit“, das heißt, es wird stärker, wenn es getroffen wird.

Yu (Jessica) Wang

Wissenschaftler sind bestrebt, neue Materialien für leichte, flexible und erschwingliche tragbare Elektronik zu entwickeln, damit das Fallenlassen unserer Smartphones nicht zu irreparablen Schäden führt. Ein Team der University of California, Merced, hat leitfähige Polymerfilme hergestellt, die bei Stößen tatsächlich steifer werden, anstatt sich aufzulösen, genau wie das Mischen von Maisstärke und Wasser in den richtigen Mengen eine Aufschlämmung ergibt, die bei langsamem Rühren flüssig ist, beim Stanzen jedoch aushärtet (d. h. „oobleck“). ). Sie beschrieben ihre Arbeit in einem Vortrag auf dem dieswöchigen Treffen der American Chemical Society in New Orleans.

„Polymerbasierte Elektronik ist sehr vielversprechend“, sagte De Wu, Postdoktorand in Materialwissenschaften an der UCLA. „Wir wollen Polymerelektronik leichter, günstiger und intelligenter machen. [With our] System, [the polymers] Es kann steifer und stärker werden, wenn Sie eine plötzliche Bewegung ausführen, aber es ist flexibel, wenn Sie Ihre tägliche Routinebewegung ausführen. Sie sind weder ständig starr noch ständig flexibel. Sie reagieren nur auf Ihre Körperbewegung.

Wie bereits erwähnt, ist die Herstellung von Oobleck einfach und unkompliziert. Mischen Sie einen Teil Wasser mit zwei Teilen Maisstärke, fügen Sie zum Spaß etwas Lebensmittelfarbe hinzu und schon haben Sie Oobleck, das sich je nach ausgeübtem Druck entweder flüssig oder fest verhält. Rühren Sie es langsam und gleichmäßig um, während es flüssig ist. Schlagen Sie hart darauf und es wird unter Ihrer Faust fester. Es ist ein klassisches Beispiel für nicht-Newtonsche Flüssigkeiten.

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In Perfekte FlüssigkeitDie Viskosität hängt weitgehend von Temperatur und Druck ab: Wasser fließt weiter, unabhängig von anderen Kräften, die auf es einwirken, wie etwa Rühren oder Mischen. In nicht-Newtonschen Flüssigkeiten ändert sich die Viskosität als Reaktion auf einen ausgeübten Druck oder eine Scherkraft, wodurch die Grenzen zwischen flüssigem und festem Verhalten überschritten werden. Das Bewegen einer Tasse Wasser erzeugt eine Scherkraft und die Wasserschere bewegt sich aus dem Weg. Die Viskosität bleibt unverändert. Bei nicht-Newtonschen Flüssigkeiten wie undurchsichtigen Flüssigkeiten ändert sich jedoch die Viskosität, wenn Scherkräfte angewendet werden.

Ketchup zum Beispiel ist eine scherdicke, nicht-Newtonsche Flüssigkeit, was einer der Gründe dafür ist, dass der Ketchup nicht schneller austritt, wenn er auf den Boden der Flasche trifft; Durch Krafteinwirkung erhöht sich die Viskosität. Weitere Beispiele sind Joghurt, Brühe, Matsch und Pudding. Und Oobleck auch. (Der Name stammt aus Dr. Seuss‘ Kinderbuch von 1949, Bartholomäus und Oobleck.) Im Gegensatz dazu weist nicht tropfende Farbe einen „scherverdünnenden“ Effekt auf, lässt sich leicht abbürsten, wird aber nach dem Auftragen auf die Wand zähflüssiger. Letztes Jahr haben Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology Das hat er bestätigt Die Reibung zwischen den Partikeln war entscheidend für den Übergang vom flüssigen zum festen Zustand und bestimmte den Wendepunkt, an dem die Reibung ein bestimmtes Niveau erreicht und die Viskosität plötzlich ansteigt.

Wu arbeitet im Labor der Materialwissenschaftlerin Yu (Jessica) Wang, die beschloss, das Scherverdickungsverhalten von Oobleck in einem Polymermaterial nachzuahmen. Flexible Polymerelektronik wird typischerweise durch die Verbindung konjugierter leitfähiger Polymere hergestellt, die lang und dünn wie Spaghetti sind. Aber auch bei besonders großen und/oder schnellen Stößen zerfallen diese Materialien.

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Also beschlossen Wu und Wang, die spaghettiähnlichen Polymere mit kürzeren Polyanilinmolekülen und Polystyrolsulfonat-Poly(3,4-ethylendioxythiophen) oder PEDOT:PSS zu kombinieren, insgesamt vier verschiedene Polymere. Zwei der vier sind positiv geladen, zwei negativ. Aus dieser Mischung stellten sie dehnbare Folien her und testeten anschließend die mechanischen Eigenschaften.

Die Folien verhalten sich ähnlich wie Oobleck: Sie verformen und dehnen sich als Reaktion auf einen Aufprall, anstatt sich aufzulösen. Wang verglich die Struktur mit einer großen Schüssel Spaghetti und Fleischbällchen, da die positiv geladenen Moleküle kein Wasser mögen und sich daher zu mikroskopisch kleinen, kugelähnlichen Strukturen zusammenfügen. Sie und Wu vermuten, dass diese Mikrostrukturen die Energie der Kollision absorbieren und sich abflachen, ohne sich aufzulösen. Es braucht nicht viel PEDOT:PSS, um diesen Effekt zu erzielen: Nur 10 Prozent reichten aus.

Zusätzliche Experimente identifizierten einen wirksameren Zusatzstoff: positiv geladene 1,3-Propandiamin-Nanopartikel. Diese Partikel können die „Fleischbällchen“-Wechselwirkungen der Polymere so weit schwächen, dass sie sich als Reaktion auf Stöße weiter verformen können, während sie gleichzeitig die Wechselwirkungen zwischen den langen, vernetzten, spaghettiartigen Polymeren verstärken.

Der nächste Schritt besteht darin, ihre Polymerfolien auf tragbare Elektronikgeräte wie Smartwatch-Armbänder und Sensoren sowie flexible Elektronik zur Gesundheitsüberwachung anzuwenden. Wangs Labor hat auch mit einer neuen Version des Materials experimentiert, die mit dem 3D-Druck kompatibel wäre, was weitere Möglichkeiten eröffnet. „Es gibt eine Reihe potenzieller Anwendungen und wir sind gespannt, wohin uns diese unkonventionelle neue Immobilie führen wird.“ sagte Wang.

Magda Franke

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