Os pesquisadores desenvolveram um material macio e flexível com durabilidade adaptativa que fortalece com o impacto, adequado para tecnologia vestível e sensores médicos. Crédito: SciTechDaily.com
Um novo material flexível e condutor de eletricidade imita a força adaptativa das pastas de amido de milho, oferecendo aplicações promissoras em tecnologia de sensores médicos e vestíveis.
Acidentes acontecem todos os dias e, se você deixar cair seu smartwatch ou se ele for atingido com muita força, o dispositivo provavelmente não funcionará mais. Mas agora, os pesquisadores relatam um material macio e flexível com “durabilidade adaptativa”, o que significa que fica mais forte quando atingido ou esticado. O material também conduz eletricidade, tornando-o ideal para a próxima geração de wearables ou sensores médicos personalizados.
Os pesquisadores apresentaram seus resultados hoje na reunião de primavera da American Chemical Society (ACS). ACS Spring 2024 é uma reunião híbrida realizada virtualmente e pessoalmente de 17 a 21 de março; apresenta quase 12.000 apresentações sobre uma variedade de tópicos científicos.
Este material flexível e condutor tem “durabilidade adaptativa”, o que significa que fica mais forte quando atingido. Crédito: Yue (Jéssica) Wang
Inspiração em ingredientes culinários
A inspiração para o novo material veio de uma mistura comumente usada na culinária – uma pasta de amido de milho.
“Quando mexo lentamente o amido de milho e a água, a colher move-se facilmente”, explica Yue (Jessica) Wang, cientista de materiais e investigadora principal do projeto. “Mas se eu tirar a colher e depois esfaquear a mistura, a colher não volta. É como esfaquear uma superfície dura.” Essa pasta, que ajuda a engrossar ensopados e molhos, tem durabilidade adaptativa, passando de maleável a forte, dependendo da força aplicada. A equipe de Wang decidiu imitar essa propriedade em um material condutor sólido.
O pesquisador de pós-doutorado Di Wu fala sobre um material polimérico que está ajudando a desenvolver que é flexível e se torna mais resistente, dependendo de como o corpo se move.
Desenvolvimento do Material
Muitos materiais, como metais, que conduzem eletricidade são duros, rígidos ou quebradiços. Mas os pesquisadores desenvolveram maneiras de fazer versões macias e dobráveis usando polímeros conjugados – moléculas longas, semelhantes a espaguete, que são condutoras. No entanto, a maioria dos polímeros flexíveis quebram-se se sofrerem impactos repetidos, rápidos ou grandes. Assim, a equipe de Wang na Universidade da Califórnia, Merced, decidiu selecionar a combinação certa de polímeros conjugados para criar um material durável que imitasse o comportamento adaptativo das partículas de amido de milho na água.
Inicialmente, os pesquisadores fizeram uma solução aquosa de quatro polímeros: poli(2-acrilamido-2-metilpropanossulfônico) longo, semelhante a um espaguete ácido), moléculas mais curtas de polianilina e uma combinação altamente condutora conhecida como poli(3,4-etilenodioxitiofeno) poliestireno sulfonato (PEDOT:PSS). Depois de espalhar uma fina camada da mistura e secar para formar uma película, a equipe testou as propriedades mecânicas do material elástico.
Melhorando as propriedades dos materiais
Eles descobriram que, em vez de se romper devido a impactos muito rápidos, ele se deformava ou se esticava. Quanto mais rápido o impacto, mais elástico e resistente o filme se torna. E surpreendentemente, apenas uma adição de 10% de PEDOT:PSS melhorou a condutividade e a durabilidade adaptativa do material. Wang observa que este resultado foi inesperado porque, por si só, o PEDOT e o PSS não ficam mais difíceis com impactos rápidos ou elevados.
Os quatro polímeros, dois com cargas positivas e dois com cargas negativas, emaranham-se como uma grande tigela de espaguete com almôndegas, explica Di Wu, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Wang que apresenta o trabalho no encontro. “Como as moléculas carregadas positivamente não gostam de água, elas se agregam em microestruturas semelhantes a almôndegas”, diz Wu. A hipótese da equipe é que o comportamento adaptativo vem das almôndegas que absorvem a energia de um impacto e se achatam ao serem atingidas, mas não se separam completamente.
No entanto, Wu queria ver como a adição de pequenas moléculas poderia criar um material composto que fosse ainda mais resistente quando esticado ou largado rapidamente. Como todos os polímeros tinham cargas, a equipe escolheu moléculas com cargas positivas, negativas ou neutras para testar. Em seguida, avaliaram como os aditivos modificaram as interações dos polímeros e impactaram a durabilidade adaptativa de cada material.
Os resultados preliminares indicaram que as nanopartículas carregadas positivamente feitas de 1,3-propanodiamina foram o melhor aditivo, conferindo a funcionalidade mais adaptativa. Wu diz que esse aditivo enfraqueceu as interações dos polímeros que formam as “almôndegas”, tornando-as mais fáceis de separar e deformar quando atingidas, e fortaleceu os “fios de espaguete” fortemente emaranhados. “Adicionar moléculas carregadas positivamente ao nosso material tornou-o ainda mais forte em taxas de estiramento mais altas”, diz Wu.
Aplicações Avançadas e Trabalho Futuro
No futuro, diz Wang, a equipe passará a demonstrar a aplicabilidade de seu material condutor leve. As possibilidades incluem dispositivos portáteis, como pulseiras integradas e sensores traseiros para smartwatches, e eletrônicos flexíveis para monitoramento da saúde, como sensores cardiovasculares ou monitores contínuos de glicose. Além disso, a equipe formulou uma versão anterior do material adaptativo para impressão 3D e produziu uma réplica da mão de um membro da equipe, demonstrando o potencial de incorporação em próteses eletrônicas personalizadas. Wang acredita que a nova versão composta também deve ser compatível com impressão 3D para criar qualquer formato desejado.
A durabilidade adaptativa do material significa que os futuros dispositivos biossensores poderão ser flexíveis o suficiente para o movimento humano regular, mas resistirão a danos se forem acidentalmente atingidos ou atingidos com força, explica Wang. “Há uma série de aplicações potenciais e estamos entusiasmados em ver aonde esta nova propriedade não convencional nos levará.”
Título
Efeito de aditivos em polímeros condutores adaptativos à taxa de deformação
Abstrato
As propriedades adaptativas da taxa de deformação conferem aos materiais poliméricos maior resistência, alongamento na ruptura e tenacidade sob impacto mais rápido. Um sistema de polímero condutor consiste em dois complexos polieletrólitos, polianilina: poli (ácido 2-acrilamido-2-metil-1-propanossulfônico (PANI: PAMPSA) e poli (3,4-etilenodioxitiofeno): poliestireno sulfonato (PEDOT: PSS), junto com 35% em peso de ácido propanossulfônico (PSA) e 10% em peso de água como plastificantes, mostrou comportamento adaptativo à taxa de deformação. Nosso trabalho anterior sugeriu que o comportamento adaptativo é provavelmente devido à desintegração das micelas formadas por PANI hidrofóbico e PAMPSA hidrofílico sob condições rápidas taxas de deformação, enquanto o aditivo (ou seja, PSA) tem a hipótese de ajustar o comportamento adaptativo afetando a formação de micelas. Para decifrar completamente o papel dos aditivos, o mesmo sistema polieletrólito contendo PSA com carga negativa, 1,3-propanodiamina com carga positiva (13DA) ou glicerol neutro (Gly) foram investigados. Embora o comportamento adaptativo à taxa tenha sido confirmado por testes de tração nas amostras com todos os três aditivos, 13DA mostrou a maior melhoria no módulo de Young, resistência à tração, alongamento na ruptura e tenacidade em taxas de deformação mais altas. Estudos de cisalhamento oscilatório e relaxamento de tensão revelam que o comportamento adaptativo da taxa de deformação originou-se das redes transitórias formadas pela aglomeração de segmentos hidrofóbicos PANI e PEODT em nossos materiais. O aditivo básico com carga positiva, 13DA, poderia facilitar ainda mais a formação de redes, selecionando as interações polieletrólitos e unindo os poliânions. Este estudo revela o mecanismo de comportamento adaptativo da taxa de deformação neste modelo de sistema polimérico, e pode ser potencialmente aplicado na fabricação de outros materiais poliméricos novos e robustos.
A pesquisa foi financiada pela Universidade da Califórnia, Merced; uma bolsa CAREER da National Science Foundation; e um prêmio Jovem Investigador da Fundação Arnold e Mabel Beckman.
