ICTPRESS – محققان دانشگاه هنان چین هیدروژلی ابداع کردهاند که با ساختار سلولمانند مشابه با بافت اپیتلیوم پوست، علاوه بر انعطافپذیری و فشردگی فوقالعاده، قادر به تولید ولتاژ خودتأمین برای اندازهگیری کرنش بدون نیاز به باتری است.
به گزارش شبکه خبری ICTPRESS به نقل از ستاد فناوری نانو، این فناوری نوین، محدودیتهای قدیمی هیدروژلها در مقاومت مکانیکی، هیسترزیس بالا و شکنندگی را پشت سر گذاشته و کاربردهایی از دستگاههای پوشیدنی تا سیستمهای نظارت زیرآبی و حسگرهای انسانی فراهم میکند.
هیدروژلهای سنتی بهدلیل تداخل میان ویژگیهایی مانند سختی، کشسانی و بازگشت انرژی، اغلب در استفاده واقعی محدودیت دارند. برای نمونه، هیدروژلهای با هیسترزیس بالا انرژی زیادی را در طول تغییر شکل جذب میکنند و پس نمیدهند، که باعث کاهش دقت حسگری و طول عمر کوتاه میشود.
تیم تحقیقاتی با تقلید از بافت اپیتلیوم، ذرات ریز سلولمانند را در هیدروژل جای دادهاند. این ذرات بهصورت کووالانسی با شبکه پلیمر درهم آمیخته و تحت فشار یا کشش تغییر شکل میدهند، تقسیم میشوند و دوباره تجمیع میشوند، بدون از دست رفتن انرژی یا آسیب دائمی.
نتیجه، هیدروژلی به نام PLTAV با ۹۰.۴ درصد وزن آب، کشسانی ۱۳۶۸ درصد و سختی ۲.۶۴ مگاژول بر متر مکعب است. هیسترزیس آن تنها ۴.۷٪ در ۳۰۰٪ کرنش است و فشردهسازی تا ۹۹.۹٪ ضخامت اولیه بدون تغییر شکل دائمی ممکن میشود.
نسخه پیشرفته این هیدروژل، PLTAV-SC، با خیساندن در محلول سوربیتول و کلین کولین ساخته شد که باعث مقاومت در برابر یخزدگی تا -۴۵ درجه سانتیگراد و افزایش سختی و کشسانی تا ۲۰۲۱٪ و ۶.۱۰ مگاژول بر متر مکعب شد.
ویژگی منحصربهفرد حسگری این مواد ناشی از اثر پیزوایونیک است: یونهای موجود در ذرات سلولمانند هنگام کشش یا فشردگی، با سرعتهای متفاوت حرکت میکنند و ولتاژ قابلسنجش تولید میکنند.
این حسگر قادر به تشخیص کرنش کششی با حساسیت ۳.۶ میلیولت و کرنش فشاری تا ۲۵ میلیولت در ۱۰۰٪ کرنش است. در دمای -۴۵ درجه، حساسیت PLTAV-SC تا ۴۰ میلیولت افزایش مییابد.
علاوه بر حسگری خودتأمین، هیدروژل دارای مولکولهای فلورسانس است که در نور UV به رنگ آبی میدرخشند و هنگام کشش شدت نور کاهش مییابد، که یک شاخص بصری برای تغییر شکل فراهم میکند.
حسگر مقاومتمحور آن نیز بازه خطی ۰.۵٪ تا ۱۳۰۰٪ کرنش با زمان پاسخ و بازیابی ۳۸ و ۴۰ میلیثانیه ارائه میدهد.
این حسگرها حتی در محیطهای زیرآبی، با پوشش ضدآب، توانایی شناسایی حرکت انسان، جریان آب تا ۹.۶ لیتر در دقیقه و عمق تا ۶ متر را دارند و کاربردهایی مانند ارسال پیام مورس و تشخیص سیگنالهای فیزیولوژیکی کوچک، از جمله ضربان مچ دست، نشان دادهاند.
این پژوهش نشان میدهد که طراحی مبتنی بر اصول زیستی میتواند محدودیتهای دیرینه مهندسی هیدروژل را برطرف کند و راه را برای نسل جدید دستگاههای پوشیدنی، حسگرهای زیرآبی و رابطهای انسان-ماشین مقاوم و قابل اعتماد هموار سازد.
