Исследователи разработали мягкие и растягивающиеся «желейные батареи», которые могут использоваться в носимых устройствах, мягкой робототехнике или даже для имплантации в мозг с целью доставки лекарств или лечения заболеваний, таких как эпилепсия.
Ученые из Кембриджского университета взяли за основу структуру электрических угрей, которые оглушают свою добычу с помощью модифицированных мышечных клеток, называемых электроцитами. Подобно этим клеткам, желеобразные материалы, созданные учеными, имеют слоистую структуру, напоминающую липкий «лего», что позволяет им передавать электрический ток.
Самовосстанавливающиеся «желейные батареи» могут растягиваться более чем в десять раз по сравнению с их исходной длиной, не теряя при этом проводимости — это первое сочетание таких свойств в одном материале. Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.
Эти «желейные батареи» изготовлены из гидрогелей — трехмерных сетей полимеров, содержащих более 60% воды. Полимеры связаны между собой обратимыми взаимодействиями, которые контролируют механические свойства материала.
Способность точно настраивать механические свойства и имитировать характеристики человеческой ткани делает гидрогели идеальными кандидатами для мягкой робототехники и биомедицины. Однако для таких приложений они должны быть как проводящими, так и растягивающимися.
«Создать материал, который одновременно будет очень растягивающимся и проводящим, довольно сложно, так как эти свойства обычно противоречат друг другу», — пояснил ведущий автор исследования Стивен О’Нил. «Обычно проводимость материала уменьшается при его растяжении».
Секрет заключается в заряде гидрогелей. «Обычно гидрогели состоят из нейтральных полимеров, но если мы придадим им заряд, они станут проводящими», — добавила соавтор исследования доктор Джейд МакКун. «Изменяя солевой состав каждого геля, мы можем сделать их липкими и многослойными, увеличивая энергетический потенциал».
Традиционная электроника использует твердые металлические материалы с электронами в качестве носителей заряда, в то время как «желейные батареи» передают заряд через ионы, как это делают электрические угри.
Гидрогели плотно сцепляются между собой благодаря обратимым связям, образуемым с помощью молекул, называемых кукурбитурилами, которые действуют как молекулярные наручники. Это позволяет батареям растягиваться без потери проводимости.
Мягкость и гибкость «желейных батарей» делает их перспективными для использования в медицинских имплантах. «Мы можем настроить механические свойства гидрогелей таким образом, чтобы они соответствовали тканям человеческого тела», — отметил профессор Орен Шерман, руководивший исследованием. Благодаря отсутствию жестких компонентов, таких как металл, такие импланты с меньшей вероятностью будут отвергнуты организмом или вызовут рубцевание.
Помимо мягкости, гидрогели обладают удивительной прочностью — они могут восстанавливать свою форму после деформации и самовосстанавливаться при повреждениях.
В будущем исследователи планируют проводить эксперименты на живых организмах для оценки пригодности гидрогелей для медицинских целей.