(Phys.org) —Un equipo de químicos e ingenieros de Stanford ha creado el primer material sintético que es sensible al tacto y capaz de curarse a sí mismo rápida y repetidamente a temperatura ambiente. El avance podría conducir a prótesis más inteligentes o dispositivos electrónicos personales más resistentes que se reparan a sí mismos.

Nadie conoce las notables propiedades de la piel humana como los investigadores que luchan por emularla. No solo nuestra piel es sensible, enviar al cerebro información precisa sobre la presión y la temperatura, pero también cura eficazmente para preservar una barrera protectora contra el mundo. La combinación de estas dos características en un solo material sintético presentó un desafío emocionante para la profesora de ingeniería química de Stanford, Zhenan Bao, y su equipo.

Ahora, Han logrado hacer el primer material que puede sentir una presión sutil y curarse a sí mismo cuando se rasga o corta. Sus hallazgos se publicarán el 11 de noviembre en la revista Nanotecnología de la naturaleza .

En la ultima década, ha habido grandes avances en pieles sintéticas, dijo Bao, el investigador principal del estudio, pero incluso los materiales autocurativos más eficaces tenían grandes inconvenientes. Algunos tuvieron que estar expuestos a altas temperaturas, haciéndolos poco prácticos para el uso diario. Otros podrían curar a temperatura ambiente, pero reparar un corte cambió su estructura mecánica o química, para que solo pudieran curarse a sí mismos una vez. Más importante, ningún material autocurativo era un buen conductor de electricidad a granel, una propiedad crucial.

"Para conectar este tipo de material con el mundo digital, idealmente desea que sean conductores, "dijo Benjamin Chee-Keong Tee, primer autor del artículo.

Una nueva receta

Los investigadores lograron combinar dos ingredientes para obtener lo que Bao llama "lo mejor de ambos mundos":la capacidad de autocuración de un polímero plástico y la conductividad de un metal.

Comenzaron con un plástico que consta de largas cadenas de moléculas unidas por enlaces de hidrógeno, las atracciones relativamente débiles entre la región cargada positivamente de un átomo y la región cargada negativamente del siguiente.

"Estos vínculos dinámicos permiten que el material se cure por sí mismo, "dijo Chao Wang, co-primer autor de la investigación. Las moléculas se rompen fácilmente pero luego, cuando se vuelven a conectar, los enlaces se reorganizan y restauran la estructura del material después de que se daña, él dijo. El resultado es un material flexible, que incluso a temperatura ambiente se siente un poco como caramelo de agua salada dejado en la nevera.

A este polímero resistente, los investigadores agregaron pequeñas partículas de níquel, lo que aumentó su resistencia mecánica. Las superficies a nanoescala de las partículas de níquel son rugosas, que resultó importante para hacer que el material sea conductor. Tee comparó estas características de la superficie con "mini-machetes, "con cada borde sobresaliente concentrando un campo eléctrico y facilitando que la corriente fluya de una partícula a la siguiente.

El resultado fue un polímero con características poco comunes. "La mayoría de los plásticos son buenos aislantes, pero este es un excelente conductor, "Dijo Bao.

Rebotando

El siguiente paso fue ver qué tan bien el material podía restaurar tanto su resistencia mecánica como su conductividad eléctrica después del daño.

Los investigadores tomaron una tira delgada del material y la cortaron por la mitad con un bisturí. Después de presionar suavemente las piezas durante unos segundos, encontraron que el material recuperó el 75 por ciento de su resistencia y conductividad eléctrica originales. El material se restauró cerca del 100 por ciento en aproximadamente 30 minutos. "Incluso la piel humana tarda días en sanar. Así que creo que esto es genial, "dijo Tee.

Y lo que es más, la misma muestra podría cortarse repetidamente en el mismo lugar. Después de 50 cortes y reparaciones, una muestra resistió doblarse y estirarse como la original.

La naturaleza compuesta del material creó un nuevo desafío de ingeniería para el equipo. Bao y sus coautores descubrieron que aunque el níquel era clave para hacer que el material fuera fuerte y conductor, también se interpuso en el proceso de curación, evitando que los enlaces de hidrógeno se vuelvan a conectar tan bien como deberían.

Para las futuras generaciones del material, Bao dijo que el equipo podría ajustar el tamaño y la forma de las nanopartículas, o incluso las propiedades químicas del polímero, para evitar esta compensación.

Sin embargo, Wang dijo que el alcance de estas propiedades de autocuración fue realmente sorprendente:"Antes de nuestro trabajo, era muy difícil imaginar que este tipo de flexibilidad, el material conductor también podría ser autocurativo ".

Sensible al tacto

El equipo también exploró cómo utilizar el material como sensor. Para los electrones que componen una corriente eléctrica, tratar de atravesar este material es como intentar cruzar un arroyo saltando de piedra en piedra. Las piedras en esta analogía son las partículas de níquel, y la distancia que los separa determina cuánta energía necesitará un electrón para liberarse de una piedra y moverse a otra.

Torcer o ejercer presión sobre la piel sintética cambia la distancia entre las partículas de níquel y, por lo tanto, la facilidad con la que los electrones pueden moverse. Estos cambios sutiles en la resistencia eléctrica se pueden traducir en información sobre la presión y la tensión en la piel.

Tee dice que el material es lo suficientemente sensible como para detectar la presión de un apretón de manos. Que podría, por lo tanto, ser ideal para su uso en prótesis, Bao agregó. El material es sensible no solo a la presión hacia abajo sino también a la flexión, por lo que una prótesis podría algún día registrar el grado de curvatura de una articulación.

Tee señaló otras posibilidades comerciales. Los dispositivos eléctricos y los cables recubiertos con este material podrían repararse solos y hacer que la electricidad fluya nuevamente sin un mantenimiento costoso y difícil. especialmente en lugares de difícil acceso, tales como paredes interiores de edificios o vehículos.

A continuación, Bao dijo que el objetivo del equipo es hacer que el material sea elástico y transparente, de modo que pueda ser adecuado para envolver y superponer dispositivos electrónicos o pantallas de visualización.