Los materiales de detección iónica autorregenerables con resistencia a la fatiga son esenciales para una vida más larga en robótica y electrónica blanda. Las pieles iónicas artificiales existentes con capacidad de autorreparación se fabricaron mediante la reconfiguración de la red formando cadenas de polímeros amorfos de baja energía. En consecuencia, estos materiales tienen un bajo umbral de fatiga y son propensos a la propagación de grietas.
Estudio: Piel iónica artificial antifatiga reforzada con nanomalla elástica autorreparable. Fuente de la imagen: fotoslaz/Shutterstock.com
En un artículo publicado en la revista Nature Communications, se desarrolló una piel iónica híbrida antifatiga y autocurativa. La robustez fue conferida por la incorporación de una nanomalla elástica, que era una red compleja de nanofibras. Por lo tanto, la piel iónica diseñada imitaba la piel humana con una estructura entretejida reparable basada en nanofibras.
La piel iónica híbrida diseñada exhibió un umbral de fatiga de 2950 julios por metro cuadrado mientras mantenía la extensibilidad, el cumplimiento similar a la piel y el comportamiento de rigidez adaptable a la carga. Las nanofibras en el material impartieron transpirabilidad a la humedad a la matriz iónica a través del estrés inducido, lo que resultó en un factor K de 66,8, que fue más alto que las pieles iónicas artificiales existentes. El presente concepto ha creado una nueva ruta hacia materiales conductores iónicos duraderos que imitan las propiedades combinadas incomparables de la piel humana.
Integración de nanofibras en piel artificial
La piel humana es un órgano multifuncional, autocurativo y protector con buena percepción. Se han desarrollado varias pieles artificiales basadas en propiedades y funcionalidades que se aproximan a las de la piel natural. Con este fin, la ductilidad, la conductividad, la tenacidad, la suavidad, la capacidad de curación y la durabilidad son deseables al diseñar materiales para robótica blanda y aplicaciones de interfaz hombre-máquina.
Aunque las propiedades de autorreparación de estos materiales permiten una larga vida útil, su resistencia a la propagación de grietas bajo altas cargas de fatiga les da una robustez adicional. La incorporación de interconexiones físicas en la red de conducción iónica provoca el reordenamiento de la cadena, lo que lleva a la reconfiguración de la red.
La estructura rica en iones, nanofibrosa pero reparable de la piel humana equilibra la alternancia entre la resistencia a la fatiga y la capacidad de curación, definida por una matriz elástica suave y entretejida que encierra el marco rígido de fibrillas de colágeno. La curación de la piel humana se basa en los fibroblastos dérmicos y la reparación de la punta de las lágrimas en las nanofibrillas de colágeno que confieren una alta resistencia a la fractura. Así que la piel humana puede soportar desgarros y deformaciones como los músculos.
Las nanofibras varían en diámetro desde 1 nanómetro hasta 1 micrón y están hechas de materiales sintéticos o naturales. Las nanofibras se obtienen comúnmente mediante la técnica de electrohilado y se asemejan a la matriz extracelular natural (ECM). Las nanofibras basadas en polímeros tienen una alta relación área superficial/volumen, alta porosidad, considerable resistencia mecánica y flexibilidad.
Estas propiedades de las nanofibras tienen un impacto significativo en la adhesión, proliferación y diferenciación celular, como se informó en estudios previos. Por lo tanto, las matrices basadas en nanofibras se están explorando como andamios en la ingeniería de tejidos.
Piel iónica artificial reforzada con nanofibras
En el presente trabajo, se incrustó un andamio de nanomalla de alta energía, elástico y autocurativo en otra matriz de iones blandos autocurativos para diseñar una piel sensorial de iones artificiales. Esta estructura híbrida demostró una alta energía de fractura de 16,3 kilojulios por metro cuadrado, un límite de fatiga de 2950 julios por metro cuadrado, 680 % de ductilidad y una respuesta de endurecimiento por deformación de 67,5 megapascales.
La reorganización de las nanofibras inducida por el estrés causó una respiración de humedad reversible de la matriz de iones higroscópicos y dio como resultado un factor de tensión de 66,8 (más alto que los materiales de piel artificial existentes) para los conductores de iones intrínsecamente estirables.
Además, dicha piel iónica híbrida a base de nanofibras tenía algunas propiedades intrigantes que imitaban la piel humana natural, incluida una eficiencia de autorreparación de hasta un 85 %, un módulo de aproximadamente 1,8 megapascales, una rigidez adaptativa al estiramiento mejorada 37 veces, 0,11 siemens por centímetro de conductividad iónica y sensación de estiramiento superior. La piel iónica híbrida producida era adherente, transparente y ambientalmente estable.
Por lo tanto, la piel iónica artificial reportada se parecía a la piel humana en términos de propiedades sensoriales y mecánicas y tenía aplicaciones potenciales en sensores de larga duración para su uso en interfaces hombre-máquina y dispositivos electrónicos portátiles.
Conclusión
Finalmente, se diseñó una piel iónica híbrida transparente basada en nanofibras utilizando nanomesh de poliuretano (PU) elástico, que consiste en una red de nanofibras con capacidad de autorreparación y una matriz iónica supramolecular con un alto módulo de relación.
La piel iónica híbrida ha sido diseñada con propiedades deseables que incluyen suavidad (módulo de aproximadamente 1,8 megapascales), capacidad de autorreparación (hasta 85 %), elongación (680 %), resistencia a la fatiga (aproximadamente 2950 julios por metro cuadrado) y elasticidad. refuerzo adaptativo (rigidez mejorada en 37 veces).
El alto factor de deformación de 66,8, que es el parámetro del sensor de deformación, se debió a la deformación inducida que condujo al reordenamiento de la alineación de las nanofibras, lo que resultó en un efecto de respiración de humedad reversible en una matriz de iones higroscópicos, impulsado por complejaciones de iones sensibles al agua.
De acuerdo con su adhesividad, transparencia y estabilidad a temperatura ambiente, la piel iónica diseñada demostró su potencial como sensor de larga duración con alta sensibilidad y aplicabilidad en dispositivos electrónicos portátiles.
Relación
Wang J, Wu B, Wei P, Sun S, Wu P. (2022) Piel iónica artificial antifatiga endurecida por nanomalla elástica autorreparable. comunicación de la naturaleza 13, 4411. https://www.nature.com/articles/s41467-022-32140-3
