人造肌肉切半可復元,讓手機螢幕裂痕可自我痊癒

作者 | 發布日期 2017 年 04 月 06 日 8:00 | 分類 材料 follow us in feedly

對有強迫症的人們來說,如果手機螢幕上出現刮痕或裂痕,這時要嘛換螢幕,要嘛換支手機,反正兩者都得要花一筆錢。



如果手機螢幕刮痕能自我修復呢?有研究人員將這曾停留於美好幻想的技術落地實踐。

加州大學河濱分校的化學家研製了一種新型材料,其最大亮點在於可自癒,如果你試著刮花它,甚至切割它,室溫下約 24 小時後,它們能完全重新對接在一起。

實驗證明該材料具備很好的延展性,能拉伸至原大小的 50 倍長度。不僅如此,就算你切割它,5 分鐘癒合時間(前述提及完全癒合需 24 小時)後,再次拉伸原長度的 2 倍也沒問題。

這種新型材料由可延展聚合物和離子鹽組成,也是研究人員創造性的將自我癒合材料(self healing material)與離子導體兩者優勢融合的實踐。

所謂自我癒合材料,即架構上擁有自我癒合能力的材料。受到生物體受傷後自我修復的啟發,科學家將這種自我癒合能力賦予人造合成材料,最終能延長材料使用壽命,降低材料和裝置的成本,同時降低外部診斷或人為干預的消耗。

例如,自癒材料應用於太空船。船體初始細小的表面裂紋不易察覺,一旦形成後若未發覺,會使得裂紋進一步擴大,削弱材料的承受能力,直至最後斷裂。自癒材料的「自動辨識」及修補,能延長太空船的使用壽命。

還有如 LG G Flex 手機後蓋,使用了特殊材料保護塗層,也能自我修復刮痕。

但光是自我癒合材料,場景應用有限,例如經常摔壞的手機螢幕有自我癒合需求,卻因聚合物無法導電,無法滿足需要。而離子導體應用較廣,在能源儲存、太陽能轉換、感應器和電子裝置中均做為關鍵性材料。

因而,加州大學研究學者想將離子導體的優勢「嫁接」到自癒合材料中,拓寬材料應用的邊線。

通常來說,自癒合聚合物利用非共價鍵進行自我修復,但這也框定了應用範圍,畢竟非共價鍵會受電化學反應的影響,使得材料效能表現不佳。

研究學者的解決方案是,將自癒合聚合物這種可延展的材料與鹽離子導體結合,帶電離子與極性分子間耦合,產生離子偶極作用,使得這種新型材料能夠在電化學條件下具有高度穩定性。最終,當材料表面出現刮痕或者遭到割裂時,帶電離子與極性分子間相互作用,能讓材料再次「復原」。

另外,離子導體能透過可運動的離子導電,也可為自癒合材料增添導電性。

如此一來,手機螢幕達到自我癒合指日可待。

當然,新材料可不只一處用武之地,機械故障後機器人自我修復、延長電動汽車裡鋰離子電池的使用壽命,改善醫療領域和環境監測中使用的生物感應器等方面,新材料都能派上用場。

例如,研究團隊用新材料製造了人造肌肉(也稱為介電彈性體致動器),肌肉由 3 層聚合物片堆疊,頂層和底層用上述新材料,能導電及自癒,中間層是透通非導電橡膠薄膜。

當有電壓、電流、溫度、壓力等外部刺激時,人造肌肉能可逆地收縮、膨脹或旋轉。比如施加電訊號時,人造肌肉會有相應反應,類似人自身的肌肉,也會接受大腦訊號產生現行。

新材料的自癒特徴在人造肌肉上也有很好體現。若將人造肌肉切割為兩部分,最終結果是,無需依靠外來刺激,兩部分能自行癒合,且效能水平與切斷前大體相當。

但想將這種自癒材料落地實際應用還有距離,手機螢幕會是最先的應用。研究人員預計,2020 年前,手機螢幕和電池的生產中就會率先使用該材料。「未來 3 年,會有很多自癒產品出現,這將改變我們的日常生活,手機也將由此獲得更優效能。」研究團隊領導者 Chao Wang 說。

不過,正如生物受傷過後,往往會留有痕跡,人造自癒型新材料,終究難至 100% 完美復原,這或許會限制其在顯性環境裡的應用。

就拿手機來說,當遭到巨大猛擊,螢幕碎裂嚴重時,自癒材料儘管能彌平裂痕,但一道道留下的傷疤,估計也難讓人有用下去的欲望吧。

倒是一些「看不見」的領域,或機器與人緊密關聯的領域,自癒材料與離子導體的結合能擦出怎樣的火花更值得期待。

(本文由 36Kr 授權轉載) 

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