Yue (Jessica) Wang
Wissenschaftler sind bestrebt, neue Materialien für leichte, flexible und erschwingliche tragbare Elektronik zu entwickeln, damit das Fallenlassen unserer Smartphones eines Tages nicht zu irreparablen Schäden führt. Ein Team an der University of California, Merced, hat leitfähige Polymerfilme hergestellt, die bei Stößen tatsächlich härter werden, anstatt auseinanderzubrechen, ähnlich wie das Mischen von Maisstärke und Wasser in geeigneten Mengen eine Aufschlämmung ergibt, die bei langsamem Rühren flüssig ist, bei langsamem Rühren jedoch aushärtet Sie schlagen es (dh „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 Di Wu, Postdoktorand für Materialwissenschaften an der UCM. „Wir wollen die Polymerelektronik leichter, günstiger und intelligenter machen.“ [With our] System, [the polymers] kann härter und stärker werden, wenn Sie eine plötzliche Bewegung ausführen, aber… flexibel, wenn Sie einfach Ihre tägliche, routinemäßige Bewegung ausführen. Sie sind nicht ständig starr oder ständig flexibel. Sie reagieren einfach auf Ihre Körperbewegung.
Wie wir bereits berichtet haben, ist Oobleck einfach und leicht zuzubereiten. Mischen Sie einen Teil Wasser mit zwei Teilen Maisstärke, fügen Sie zum Spaß einen Schuss Lebensmittelfarbe hinzu, und schon haben Sie Oobleck, das sich entweder flüssig oder fest verhält, je nachdem, wie viel Stress ausgeübt wird. Rühren Sie es langsam und gleichmäßig um und es entsteht eine Flüssigkeit. Wenn Sie kräftig darauf schlagen, wird es unter Ihrer Faust fester. Es ist ein klassisches Beispiel für eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit.
In einer idealen Flüssigkeit hängt die Viskosität weitgehend von Temperatur und Druck ab: Wasser fließt weiter, unabhängig von anderen Kräften, die auf es einwirken, wie etwa Rühren oder Mischen. In einer nicht-Newtonschen Flüssigkeit ändert sich die Viskosität als Reaktion auf eine angelegte Dehnung oder Scherkraft, wodurch die Grenze zwischen flüssigem und festem Verhalten überschritten wird. Durch das Rühren einer Tasse Wasser entsteht eine Scherkraft, die das Wasser aus dem Weg schiebt. Die Viskosität bleibt unverändert. Aber bei nicht-Newtonschen Flüssigkeiten wie Oobleck ändert sich die Viskosität, wenn eine Scherkraft ausgeübt wird.
Ketchup zum Beispiel ist eine nicht-Newtonsche Flüssigkeit, die sich durch Scherung verdickt, was einer der Gründe dafür ist, dass der Ketchup nicht schneller herauskommt, wenn man auf den Boden der Flasche klopft; Durch Krafteinwirkung erhöht sich die Viskosität. Weitere Beispiele sind Joghurt, Soße, Schlamm und Pudding. Und das gilt auch für Oobleck. (Der Name leitet sich von einem Kinderbuch von Dr. Seuss aus dem Jahr 1949 ab. Bartholomäus und der Oobleck.) Im Gegensatz dazu weist nicht tropfende Farbe einen „scherverdünnenden“ Effekt auf, der sich leicht auftragen lässt, aber an der Wand zähflüssiger wird. Letztes Jahr bestätigten MIT-Wissenschaftler, dass die Reibung zwischen Partikeln für den Übergang von Flüssigkeit zu Feststoff entscheidend ist, und identifizierten einen Wendepunkt, an dem die Reibung ein bestimmtes Niveau erreichte und die Viskosität abrupt anstieg.
Wu arbeitet im Labor der Materialwissenschaftlerin Yue (Jessica) Wang, die beschloss, das Scherverdickungsverhalten von Oobleck in einem Polymermaterial nachzuahmen. Flexible Polymerelektronik wird normalerweise durch die Verbindung konjugierter leitfähiger Polymere hergestellt, die lang und dünn wie Spaghetti sind. Bei besonders großen und/oder schnellen Stößen zerbrechen diese Materialien jedoch trotzdem.
Also beschlossen Wu und Wang, die spaghettiähnlichen Polymere mit kürzeren Polyanilinmolekülen und Poly(3,4-ethylendioxythiophen)-polystyrolsulfonat 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.
Und siehe da, die Folien verhielten sich sehr ähnlich wie Oobleck: Sie verformten und dehnten sich als Reaktion auf den Aufprall, anstatt auseinanderzubrechen. Wang verglich die Struktur mit einer großen Schüssel Spaghetti und Fleischbällchen, da die positiv geladenen Moleküle kein Wasser mögen und sich daher zu kugelähnlichen Mikrostrukturen zusammenballen. Sie und Wu vermuten, dass diese Mikrostrukturen die Aufprallenergie absorbieren und sich abflachen, ohne auseinanderzubrechen. Und es braucht nicht viel PEDOT:PSS, um diesen Effekt zu erzielen: Nur 10 Prozent reichten aus.
Weitere Experimente identifizierten einen noch wirksameren Zusatzstoff: positiv geladene 1,3-Propandiamin-Nanopartikel. Diese Partikel können die „Fleischbällchen“-Polymer-Wechselwirkungen gerade so weit schwächen, dass sie sich als Reaktion auf Stöße noch stärker verformen können, während sie gleichzeitig die Wechselwirkungen zwischen den verschlungenen langen spaghettiartigen Polymeren verstärken.
Der nächste Schritt besteht darin, ihre Polymerfolien auf tragbare Elektronikgeräte wie Smartwatch-Armbänder und Sensoren sowie flexible Elektronikgeräte zur Gesundheitsüberwachung aufzubringen. Wangs Labor hat außerdem mit einer neuen Version des Materials experimentiert, die mit dem 3D-Druck kompatibel wäre, was noch mehr Möglichkeiten eröffnet. „Es gibt eine Reihe potenzieller Anwendungen und wir sind gespannt, wohin uns diese neue, unkonventionelle Immobilie führen wird“, sagte Wang.