Татуировки, нанороботы, электрические цепи

Инженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали магнитные чернила, с помощью которых можно реанимировать порвавшиеся электрические цепи. Они могут быть пригодны для изготовления самовосстанавливающихся аккумуляторов, электрохимических сенсоров и в качестве текстильного каркаса электрических цепей. С текстом исследования можно ознакомиться в научном журнале Science Advances.

Ключевым компонентом вещества для печати являются микроскопические частицы, расположение которых контролируется и регулируется магнитным полем. В случае возникновения прорезей и дыр конфигурация наночастиц позволяет им притягиваться друг к другу и устранять последствия разрыва материала. Среди всех самовосстанавливающихся систем изобретение американских химиков является рекордсменом, так как может оставаться эффективным при наличии дырки шириной до трех миллиметров. Кроме того, имеющиеся на сегодняшний день материалы, которые способны восстанавливаться, для запуска процесса регенерации требуют некого внешнего пускового механизма, а сам процесс может начаться только спустя некоторое время.

«Наше изобретение открывает широкие перспективы для печати электронных устройств, способных работать в течение долгого срока», — пояснил Джозеф Ванг, директор центра носимых датчиков и председатель департамента наноинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего. Ученый утверждает, что разработанная командой инженеров система не требует внешнего катализатора и начинает саморемонтироваться спустя 50 миллисекунд.

Вещество, которое придумали исследователи, содержит магнитные частицы из неодима — редкоземельного металла серебристого цвета. Они отличаются хорошей электропроводностью и доступной ценой. Тем не менее сами по себе частицы обладают плохими электрохимическими свойствами, и поэтому химики добавили в вещество высокочистый углерод, который обычно используют для изготовления проводников. Другая проблема была связана с тем, что в естественном состоянии наночастицы теряли свои магнитные свойства. Чтобы этого не происходило, исследователи печатали датчики в присутствии внешнего магнитного поля.

В качестве эксперимента исследователи напечатали на 3D-принтере самовосстанавливающиеся батареи, электрохимические датчики и носимые на текстильной основе электрические приемники. Затем они вывели датчики из строя, разрезав их. Ученые растягивали материал, чтобы создать максимально широкий разрыв между волокнами. Такие манипуляции не помешали датчику продолжать функционировать. Более того, при увеличении числа надрезов электрическая цепь все равно продолжала работать, а проводимость в ней практически не уменьшилась.

Инженеры нанесли саморегенерирующуюся электрическую цепь на рукав футболки и подсоединили ее к батарейке-монетке и маленькой светодиодной лампочке. При разрезании ткани футболки и напечатанного на ней датчика и отдалении фрагментов материала друг от друга, лампочка гасла. Но при сближении частей датчика электрическая проводимость восстанавливалась, и в доли секунды светодиод загорался снова.

«Нашей задачей была разработка интеллектуальной системы из недорогих и всем доступных для материалов, которая могла бы починиться самостоятельно», — прокомментировал изобретение один из авторов исследования Амай Бандодкар, научный сотрудник Северо-Западного университета в штате Иллинойс.

Исследовательская группа Ванга является одним из мировых лидеров по созданию напечатанных носимых датчиков. Ранее команда уже создала нанороботов, способных починить электрические цепи, одежду, которая может поддерживать температуру тела, и электронные татуировки, которые при нанесении на кожу начинают вырабатывать электроэнергию из пота и могут продемонстрировать степень опьянения их обладателя. Начало работы с чернилами для 3D-печати было закономерным продолжением исследования самовосстанавливающихся систем и электрических датчиков.

В будущем инженеры собираются изготовить несколько вариаций краски для 3D-печати, чтобы расширить спектр ее применения. Кроме того, команда ученых планирует провести компьютерное моделирование процессов восстановления.