Opracowane przez naukowców z Northwestern University, wysoce energooszczędne, biokompatybilne i wykonane z trwałych materiałów nanowstążki, mogą dać początek nowym typom ultralekkich urządzeń elektronicznych, jednocześnie zmniejszając wpływ na środowisko produkcji i utylizacji urządzeń elektronicznych. Badanie opublikowane w czasopiśmie Nature wspomina, że nowe materiały można by wykorzystać w energooszczędnych mikroskopijnych układach pamięci, czujnikach i jednostkach magazynowania energii.
Czytaj też: Przełom w tworzeniu nowych materiałów. Naukowcy obserwują zachowanie nanocząstek
Prof. Samuel I. Stupp z Northwestern University mówi:
To zupełnie nowa koncepcja w nauce o materiałach i badaniach nad miękkimi materiałami. Wyobrażamy sobie przyszłość, w której można nosić koszulkę z wbudowaną klimatyzacją lub polegać na miękkich bioaktywnych implantach, które są odczuwane jak tkanki i są aktywowane bezprzewodowo, aby poprawić pracę serca lub mózgu.
Nowe materiały amfifilowe odmienią urządzenia ubieralne
Sekretem nowego materiału są tzw. amfifile peptydowe, wszechstronna platforma cząsteczek opracowana wcześniej w laboratorium prof. Stuppa. Te samoorganizujące się struktury tworzą włókna w wodzie i już wykazały potencjał w medycynie regeneracyjnej. Cząsteczki zawierają peptydy i segment lipidowy, który napędza samoorganizację cząsteczkową po umieszczeniu w wodzie.
Czytaj też: Ten materiał jest niczym czarna dziura. Pochłania prawie całe światło
Amfifile to cząsteczki, które posiadają zarówno hydrofilową (wodną) głowę, jak i hydrofobowy (wodoodporny) ogon. Ta dualna struktura pozwala im na interakcję z różnymi środowiskami. W wodzie, amfifile często tworzą struktury takie jak micele, gdzie ich hydrofobowe ogony chowają się wewnątrz, a hydrofilowe głowy pozostają na zewnątrz. Amfifile są kluczowe w biologii, szczególnie w tworzeniu błon komórkowych, oraz w przemyśle, np. w detergentach, gdzie pomagają w rozpuszczaniu tłuszczu w wodzie.
W nowym badaniu zespół zastąpił ogon lipidowy miniaturowym segmentem cząsteczkowym plastiku o nazwie polifluorek winylidenu (PVDF). Zachowali jednak segment peptydowy, który zawiera sekwencje aminokwasów. PVDF, powszechnie stosowany w technologiach audio i sonarowych, to plastik o niezwykłych właściwościach elektrycznych.
Może generować sygnały elektryczne po naciśnięciu lub ściśnięciu – właściwość ta znana jest jako piezoelektryczność. Jest to również materiał ferroelektryczny, co oznacza, że ma strukturę polarną, która może zmieniać orientację o 180o za pomocą zewnętrznego napięcia. Dominującymi ferroelektrykami w technologii są materiały twarde, często zawierające rzadkie lub toksyczne metale (np. ołów czy niob).
Prof. Samuel I. Stupp dodaje:
Ma całą wytrzymałość plastiku, a jednocześnie jest przydatny w urządzeniach elektrycznych. To sprawia, że jest to bardzo wartościowy materiał dla zaawansowanych technologii. Jednak w czystej postaci jego ferroelektryczny charakter nie jest stabilny i jeśli zostanie podgrzany powyżej tzw. temperatury Curie, traci swoją polarność nieodwracalnie.
Wszystkie tworzywa sztuczne, w tym PVDF, zawierają polimery, które są gigantycznymi cząsteczkami, zazwyczaj złożonymi z tysięcy chemicznych jednostek strukturalnych. W nowym badaniu laboratorium prof. Stuppa precyzyjnie zsyntetyzowało miniaturowe polimery zawierające tylko 3-7 jednostek fluorku winylidenu. Co ciekawe, według badań, miniaturowe segmenty składające się z 4, 5 lub 6 jednostek są zaprogramowane przez naturalne struktury beta-arkusza, które występują w białkach, aby zorganizować się w stabilną fazę ferroelektryczną.
W nowo opracowanych materiałach najlepsze jest to, że można je zintegrować z włóknami tkanymi, tworząc inteligentne tkaniny lub przypominające naklejki implanty medyczne. W dzisiejszych urządzeniach ubieralnych elektronika jest nieporęcznie przymocowana do ciała za pomocą opaski na nadgarstek. Jednak dzięki nowym materiałom to sama opaska może mieć aktywność elektroniczną.
