Laboratorium inżynierii materiałowej na Harvardzie wypełnia muzyka. Przezroczysty, żelowy dysk podłączony do laptopa wygrywa utwór “Morning” – preludium z “Peer Gynt”. Transparentny “głośnik” wykorzystuje przepływ jonów do wprawienia w wibracje gumowej membrany.
Niezwykły materiał ma budowę typu “sandwich” – cienki arkusz polimeru (izolator) został umieszczony pomiędzy dwoma warstwami hydrożelu (przewodnik). Dzięki impulsom elektrycznym, które biegną po powierzchni, a także poprzez warstwy, guma zmuszona jest do wibrowania. Dźwięki wytwarzane przez taki kompozyt obejmują całe spektrum dźwiękowe – od 20Hz do 20kHz.
Dielektrykiem była dwustronna, przezroczysta taśma piankowa VHB™ 4910, a przewodnikiem żel poliakrylamidowy zmieszany ze słoną wodą (NaCl). W powstałej mieszaninie, poliakryloamidowe cząsteczki stworzyły siatkę, w której jony soli, przewodziły prąd. Warstwa hydrożelu o grubości 100 mikrometrów została umieszczona po obu stronach elastycznej taśmy montażowej. Następnie za pomocą miedzianych elektrod naukowcy sterowali dopływem ładunków elektrycznych. Arkusz taśmy był ściskany i rozciągany, co wprowadziło materiał w wibracje, dzięki którym powstał dźwięk. Naukowcy zauważyli, że oprócz oprócz wibracji polimer generował niskie napięcie.
Artykuł “Stretchable, Transparent, Ionic Conductors” opisujący materiał został opublikowany 30 sierpnia 2013 roku w czasopiśmie Science.
Istniejące rozciągliwe, przezroczyste przewodniki to głównie przewodniki elektronowe. Naukowcy z Harvardu opracowali klasę urządzeń działających na zasadzie przewodnictwa jonowego, które są rozciągliwe, całkowicie przezroczyste dla światła widzialnego, zdolne do pracy w zakresie częstotliwości powyżej 10 kHz i napięć powyżej 10 kV.
“Przewodniki jonowe mogłyby zastąpić niektóre systemy elektroniczne…” -komentuje współautor projektu Jeong-Yun Sun, adiunkt na Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).
Dla przykładu, przewodniki jonowe mogą być rozciągnięte na długość kilka razy większą niż ich normalny rozmiar, bez zwiększenia oporu elektrycznego. Po drugie, mogą być przezroczyste, co sprawia, że nadają się do zastosowań optycznych. Po trzecie, żele stosowane jako elektrolity są zgodne biologicznie, więc stosunkowo łatwo byłoby dołączyć jonowe urządzenia do sztucznych mięśni i skóry w układach biologicznych.
Ludzki organizm funkcjonuje dzięki impulsom przenoszonym przez jony. “Wielką perspektywą przyszłości są miękkie maszyny” – powiedział współautor badań Christoph Keplinger. “Zaprojektowane przez nas systemy jonowe mogą sprawować wiele funkcji, które posiada nasz organizm. Mogą odpowiadać za zmysł dotyku, przewodzić sygnały elektryczne oraz uruchamiać aparat ruchowy” – dodaje.
Wysokie napięcia i częstotliwość wibracji – to dwa kryteria, które w przeszłości wykluczały zastosowanie jonowych przewodników. Wysokie napięcia mogą wywołać reakcję elektrochemiczną w materiałach jonowych, wpłynąć na produkcje gazów oraz spalić materiał. Jony są znacznie większe i cięższe od elektronów, dlatego ich fizycznie przenoszenie za pośrednictwem układu elektronicznego jest zazwyczaj powolne. Materiał opracowany przez naukowców z Harvardu stwarza ogromną liczbę potencjalnych zastosowań, w tym nie tylko urządzeń biomedycznych, ale także w robotyce i optyce.
Źródło:
[1] Stretchable, Transparent, Ionic Conductors. Christoph Keplinger, Jeong-Yun Sun, Choon Chiang Foo, Philipp Rothemund, George M. Whitesides, Zhigang Suo
[2] http://www.sciencemag.org/content/suppl/2013/08/28/
341.6149.984.DC1/Keplinger.SM.pdf | 01.09.2013
[3] http://www.sciencemag.org/content/341/6149/984 | 01.09.2013
[4] http://news.harvard.edu/gazette/story/2013/08/transparent-artificial-muscle/ | 01.09.2013
[5] Čtyřtlampač by Jan Kaláb (Pitel), flickr.com, CC BY-SA 2.0