I cavi altamente flessibili e conduttivi svolgono un ruolo cruciale nell'integrazione e nell'applicazione di dispositivi indossabili. Tuttavia, le frequenti sollecitazioni e deformazioni nell'uso pratico tendono a causare danni strutturali a questi cavi, portando al guasto dell'intero modulo. I cavi autoriparanti sono in grado di ripristinare le proprietà meccaniche ed elettriche in caso di danni alla struttura, il che offre una soluzione promettente a questo problema.
Tuttavia, le applicazioni pratiche dei cavi autoriparanti sono ostacolate dalla resistenza elettrica altamente fluttuante in condizioni dinamiche come flessione, pressione, stiramento e tremore, che riducono significativamente la precisione del monitoraggio continuo dei dispositivi indossabili interconnessi.
Per superare questi colli di bottiglia, un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Hao Sun dell'Università Jiao Tong di Shanghai ha sviluppato una nuova famiglia di fili autoriparanti dinamicamente stabili basati sull'accoppiamento meccanico-elettrico, ispirato ai legami idrogeno e alle forze di van der Waals interazione tra nucleo dell'assone e guscio mielinico nell'assone mielinizzato. Il team ha utilizzato la chimica supramolecolare per migliorare la resistenza alla trazione (35–73 MPa) dei fili autoriparanti, che ha mostrato una buona corrispondenza con le comuni fibre tessili (28–74 MPa).
Ancora più importante, l’effetto di accoppiamento meccanico-elettrico basato sull’idrogeno e sui legami di coordinazione tra i componenti strutturali (polimero autoriparabile) e conduttivi (metallo liquido GaInSn) ha migliorato significativamente la stabilità elettrica dei fili autoriparanti in vari ambienti dinamici. Ad esempio, la variazione di resistenza di questi fili autoriparanti è stata inferiore a 0,7 ohm con una tensione elevata del 500% e la resistenza elettrica è aumentata di meno del 5% in varie condizioni dinamiche come piegatura, pressatura, annodamento e lavaggio .
Questi fili sono promettenti per applicazioni indossabili grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche, elettriche e dinamiche. Ad esempio, si potrebbe realizzare una piattaforma sanitaria integrata composta da temperatura, pulsazioni e K + sensori, unità microcontrollore, modulo Bluetooth e batteria agli ioni di litio, che sono stati interconnessi utilizzando questi cavi autoriparanti, che hanno mostrato una fluttuazione trascurabile della resistenza elettrica del 3-4% sotto martellamento, pressione e allungamento, anche dopo la rottura e la guarigione.
Inoltre, ha consentito un monitoraggio stabile e accurato delle attività umane, anche nello scenario di tremore degli arti causato dalla malattia di Parkinson simulata. Questi risultati hanno mostrato l'importanza di un'elevata stabilità dinamica dei cavi autoriparanti che garantiva un funzionamento affidabile dei dispositivi indossabili interconnessi.
"Abbiamo bisogno di fili autoriparabili che possano mantenere la loro resistenza elettrica in condizioni dinamiche, il che è fondamentale per garantire la precisione e l'affidabilità dei dispositivi indossabili interconnessi nelle applicazioni pratiche. Nei nostri tentativi di raggiungere questo obiettivo, notiamo che il sistema nervoso può trasmettono in modo affidabile potenziali d'azione neurali anche in caso di gravi deformazioni, il che ci ispira a proporre il meccanismo di "accoppiamento meccanico-elettrico", concentrandosi sul miglioramento dell'interazione interfacciale.
"Pertanto innoviamo i materiali polimerici autoriparanti tramite la chimica supramolecolare per indurre una forte interazione con il metallo liquido GaInSn, ottenendo così fili autoriparabili dinamicamente stabili che avvantaggiano scenari pratici indossabili", ha affermato il prof. Hao Sun.
"In una prospettiva più ampia, il nostro 'accoppiamento meccanico-elettrico' può diventare una strategia generale per migliorare la stabilità dinamica di vari materiali e dispositivi flessibili e avvantaggiare una varietà di applicazioni come l'assistenza sanitaria indossabile, la robotica intelligente e l'elettronica impiantabile."
Ulteriori informazioni: Shuo Wang et al, Un filo autoriparabile dinamicamente stabile basato sull'accoppiamento meccanico-elettrico, National Science Review (2024). DOI:10.1093/nsr/nwae006
Fornito da Science China Press
