Исследование в области проводниковых материалов

В Университете штата Мичиган создали эластичные проводники с наночастицами золота. Они способны растянуться в четыре раза в продольном и поперечном направлении. Их можно многократно подвергать механическим нагрузкам без риска обрыва контакта. Применяемые при их изготовлении материалы не боятся воды и демонстрируют высокую биологическую совместимость.

Как бы ни была совершенна современная электроника, её функциональные возможности сильно ограничивают физические свойства компонентов, и в первую очередь проводников. Мобильные, носимые и частично имплантируемые устройства испытывают на себе серьёзные механические нагрузки. Даже в относительно статичных системах всегда есть вибрации и тепловое расширение/сжатие материала, нередко приводящее к нарушению целостности электрической цепи.

Проводникам давно пытались придать хотя бы часть описанных в изобретении свойств. Их составляли из множества изогнутых волокон и скручивали в спираль, чтобы увеличить эластичность хоть на несколько процентов. Исследователи экспериментировали с металлами в жидкой фазе и сетчатыми структурами, но не достигли в этом направлении сколько-нибудь заметных успехов.

Старания многих коллективов не были напрасными. Помимо исключения малоперспективных направлений исследования в области эластичных проводников, удалось создать новые типы микроэлектромеханических систем. Среди них сверхчувствительные датчики давления для электронных весов, охранных систем и искусственной кожи роботов.

Пожалуй, наиболее значимым практическим результатом до недавнего времени оставалась работа группы инженеров из Университета штата Северная Каролина. Их эластичные провода выдерживали растяжение до восьми раз.

 В этом исследовании оболочка проводника выполнялась из эластичного полимера с высокими диэлектрическими свойствами. Внутрь заливался сплав индия и галлия. При растяжении эвтектический расплав быстро заполнял полость удлинившегося канала и практически мгновенно перераспределялся вновь при последующем сжатии, сохраняя высокую электрическую проводимость.

Помимо высокой себестоимости, эту разработку характеризовал и другой серьёзный минус. Провода оказались малоустойчивы к повторным нагрузкам, и дорогой металл со временем вытекал через повреждения в оболочке. Попытка ограничить потери с помощью сетчатых вставок внутри канала частично решила проблему, но в результате сильно повышалось сопротивление.

Выход был найден другой группой, решившей отказаться от жидкого металла в пользу наночастиц золота. Для создания эластичных проводников электрического тока группа ученых, возглавляемая профессором Николасом Котовым (Nicholas Kotov), использовала золотые наночастицы, размерами всего в 13 нанометров. Порошок из этих наночастиц был равномерно распределен между двумя слоями полиуретана, а сами частицы были распределены в совершенно случайном порядке. Они послойно вкраплены в полиуретановую основу методом флокуляции. Следовало ожидать, что при таком распределении наночастиц, после растяжения материала они останутся на своем месте, а расстояние между ними увеличится.

Но в реальности этого не произошло. Когда исследователи начали растягивать полиуретан, золотые наночастицы, зажатые между слоями материала, начали перемещаться, формируя длинные замкнутые цепи, способные проводить электрический ток точно также, как и цельный металлический проводник. Материал сохранял свои токопроводящие свойства даже будучи растянутым в шесть раз по отношению к первоначальным размерам. После того, как усилие, прикладываемое к материалу, было снято и он вернулся к своему изначальному виду, наночастицы вернулись на свои прежние места, сохраняя хаотичное распределение в пространстве.

  Высокая электрическая проводимость при растяжении сохраняется за счёт динамической самоорганизации наночастиц.

Проще говоря, при любых изгибах и растяжении они быстро выстраиваются в цепочку, сохраняя целостность. Плотный контакт между частицами при этом не требуется. При таких масштабах расстояний электроны могут туннелировать, перемещаясь от одной наночастицы к другой подобно человеку, перепрыгивающему реку по камням.

Предположения о самоорганизации наночастиц в таких условиях были подтверждены методами электронной микроскопии. Характер влияния степени растяжения на величину электропроводности близок к линейному. При максимальном растяжении сопротивление возрастает примерно в десять раз, но в реальных условиях столь сильные потери обычно будут кратковременными.

Эластичный материал из наночастиц золота и полиуретана

Более важный вопрос заключается в том, как меняется сам характер сопротивления по мере растяжения такого проводника. Помимо омического, связанного с удельным сопротивлением материала, в определённые моменты возрастает доля ёмкостного и индуктивного.

При необходимости из наночастиц золота в полиуретановом слое можно изготовить резистор с переменным сопротивлением. В отличие от варистора, его характеристики будут зависеть не от приложенного напряжения, а от линейных размеров.

Внешне образец такого материала выглядит как лист золотой фольги. Иллюзия исчезает, стоит только потянуть за края. Фольга моментально разорвётся, а эластичный проводник вытянется и затем вновь примет исходные размеры.

Созданный материал представляет исключительную ценность для робототехники, разработки носимых компьютеров, одежды с вплетёнными электронными компонентами и множества имплантируемых устройств, включая водители ритма, бионические протезы глаз и электроды интерфейса «мозг — компьютер».