Американские ученые разработали самовосстанавливающиеся чернила, которые могут использоваться в 3D-печати электрохимических устройств. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
©Wikipedia
Самовосстановливающимися называют синтетические материалы (часто полимеры), которые могут восстанавливать свою целостность без вмешательства человека. Во многих прототипах, однако, для восстановления используют внешний триггер, например нагревание или обработку жидкостью. Это ограничивает применение технологии. Кроме того, в существующих образцах самовосстановление занимает относительно долгое время: от нескольких минут до дней. Поэтому ученые ищут способы ускорить механизм и сделать его менее зависимым от внешних условий.
Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего предложили использовать для этого микрочастицы неодимового магнита (Nd2Fe14B). Сперва измельченный металл смешивался с сажей и со стирол-изопрен-стирольным сополимером (SIS). Вещество помещалось в полуавтоматический принтер MSM SPM, и с помощью трафарета авторы изготавливали электроды толщиной около 500 микрометров. Согласно гипотезе, после повреждения фрагменты электрода должны были «притягиваться», поскольку магнитное поле микрочастиц больше их объема. Результаты показали, что этого не происходит.
Затем под подложку, параллельно трафарету, помещался стержневой магнит. Его магнитное поле «выравнивало» микрочастицы, в результате чего электрод снова приобретал свойства постоянного магнита. Спустя 15 минут электрод отверждался при температуре 60 градусов Цельсия и на него наносился прозрачный слой изолята.
В ходе демонстрации ученые разрезали материал в различных условиях. В серии экспериментов с помощью чернил были изготовлены серебряно-цинковый аккумулятор (Zn-Ag2O), а также датчики пероксида водорода (H2O2) и меди (Cu), каждый из которых подвергался механическим повреждениям. Результаты показали, что восстановление трещины шириной до трех миллиметров во всех случаях происходит в течение 500 миллисекунд. Авторы также многократно повреждали различные участки устройств (до четырех) или один участок (до девяти раз) — это не отражалось на эффективности восстановления.
Наконец исследователи моделировали ситуацию, при которой электрод размещен на одежде и подключен к миниатюрному элементу питания и светодиоду. При повреждении электрода вместе с тканью (разрез шириной до трех миллиметров) цепь прерывалась, в результате чего светодиод выключался. Но вскоре фрагменты электрода «сцеплялись» и подача электричества возобновлялась.
«Наша работа открывает широкие возможности для производства печатных устройств длительного пользования», — сообщил соавтор работы Джозеф Ван (Joseph Wang). Он добавил, что такие устройства будут дешевыми, поскольку материалы для их изготовления являются доступными. Сейчас неодим используется в качестве основы для мощных постоянных магнитов, для обработки семян, легирования сплавов для повышения прочности.
