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.
نورنیوز- گروه اجتماعی: 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 درصد در ۳۰۰ درصد کرنش است و فشردهسازی تا ۹۹.۹ درصد 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 درصد 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 درصد 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 درصد تا ۱۳۰۰ درصد 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.