يو (جيسيكا) وانغ
يحرص العلماء على تطوير مواد جديدة للإلكترونيات القابلة للارتداء، والتي تتميز بخفة الوزن والمرونة وبأسعار معقولة. قام فريق من جامعة كاليفورنيا، ميرسيد، بتطوير أفلام بوليمر موصلة تتصلب استجابة للتأثير بدلاً من التفكك، على غرار خلط الكميات المناسبة من نشا الذرة والماء لتبقى سائلة عند التقليب بلطف ولكنها تتصلب عند التقليب. أنت كزة (أي “opleg”). ووصفوا عملهم في حديث في اجتماع هذا الأسبوع للجمعية الكيميائية الأمريكية في نيو أورليانز.
وقال دي فو، وهو باحث ما بعد الدكتوراه في علوم المواد في جامعة كاليفورنيا: “إن الإلكترونيات القائمة على البوليمر واعدة للغاية”. “نريد أن نجعل إلكترونيات البوليمر أخف وزنا وأرخص وأفضل. [With our] نظام، [the polymers] يمكنك أن تكون متصلبًا وقويًا عندما تقوم بحركة مفاجئة، ولكن … مرنًا عندما تقوم بحركتك اليومية الروتينية. فهي ليست جامدة باستمرار ولا مرنة باستمرار. إنهم يستجيبون فقط لحركة جسمك.”
كما ذكرنا من قبل، فإن الأوبليك بسيط وسهل الصنع. امزج جزأين من نشا الذرة مع جزء واحد من الماء وأضف القليل من ألوان الطعام للمتعة، وستحصل على أوبليك، الذي يعمل كسائل أو مادة صلبة اعتمادًا على مقدار الضغط المطبق. حرك ببطء وثبات حتى يصبح سائلاً. اضربها بقوة أكبر وستصبح أكثر صلابة تحت قبضتك. هذا مثال كلاسيكي للسوائل غير النيوتونية.
في سائل ممتازتعتمد اللزوجة إلى حد كبير على درجة الحرارة والضغط: سيستمر الماء في التدفق بغض النظر عن القوى الأخرى مثل التحريك أو الخلط. في السوائل غير النيوتونية، تتغير اللزوجة استجابة للضغط المطبق أو قوة القص، وبالتالي تعبر الحدود بين سلوك السائل والصلب. يؤدي تحريك كوب من الماء إلى توليد قوة قص، فيتحرك الماء بعيدًا عن طريق المقص. اللزوجة تبقى ثابتة. لكن بالنسبة للسوائل غير النيوتونية مثل أوبليك، تتغير اللزوجة عند تطبيق قوة القص.
على سبيل المثال، الكاتشب عبارة عن سائل غير نيوتوني سميك القص بحيث لا يؤدي تحطيم قاع الزجاجة إلى خروج الكاتشب بشكل أسرع؛ تطبيق الطاقة يزيد من اللزوجة. الزبادي والمرق والطين والحلوى هي أمثلة أخرى. الشيء نفسه ينطبق على أوبليك. (الاسم مأخوذ من كتاب الدكتور سوس للأطفال الصادر عام 1949، بارثولوميو وأوبليك.) على النقيض من ذلك، يُظهر الطلاء غير المقطر تأثيرًا “رفيعًا”، ويمكن تنظيفه بالفرشاة بسهولة ولكنه يصبح أكثر لزوجة بمجرد اصطدامه بالحائط. في العام الماضي، علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وأكد أن يعد الاحتكاك بين الجزيئات أمرًا بالغ الأهمية لهذا التحول من السائل إلى الصلب، حيث يحدد نقطة التحول عندما يصل الاحتكاك إلى مستوى معين وتزداد اللزوجة فجأة.
يعمل وو في مختبر عالم المواد يو (جيسيكا) وانغ، الذي قرر تكرار سلوك سماكة القص لأوبليك في مادة البوليمر. عادةً ما يتم تصنيع إلكترونيات البوليمر المرنة عن طريق ربط البوليمرات الموصلة المترافقة والتي تكون طويلة ورقيقة مثل السباغيتي. ولكن من المرجح أن تستجيب هذه المواد للتأثيرات الكبيرة و/أو السريعة بشكل خاص.
لذلك قرر وو ووانغ دمج البوليمرات الشبيهة بالسباجيتي مع جزيئات بولي ألين قصيرة وبوليسترين سلفونات بولي (3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين)، أو PEDOT:PSS – أربعة بوليمرات مختلفة. اثنان من الأربعة مشحونان بشحنة موجبة واثنان بشحنة سالبة. واستخدموا هذا الخليط لصنع أفلام قابلة للتمدد ثم اختبروا الخواص الميكانيكية.
وها هي الأفلام تتصرف وكأنها مائلة، وتمتد استجابةً للتأثير بدلاً من التشوه والتفكك. وقارن وانغ البنية بوعاء كبير من السباغيتي وكرات اللحم، لأن الجزيئات المشحونة إيجابيا لا تحب الماء وتميل إلى التجمع في هياكل مجهرية تشبه الكرة. وتقول هي ووو إن هذه الهياكل المجهرية تمتص طاقة التأثير وتتسطح دون أن تنقسم. ليس هناك حاجة إلى الكثير من PEDOT:PSS لتحقيق هذا التأثير: 10 بالمائة فقط كافية.
حددت الاختبارات الإضافية مادة مضافة أكثر فعالية: جسيمات نانوية 1،3-بروبانديامين موجبة الشحنة. يمكن لهذه الجسيمات أن تضعف تفاعلات البوليمر “كرات اللحم” بحيث تتشوه أكثر استجابة للصدمات، بينما تعزز التفاعلات بين البوليمرات مثل السباغيتي الطويلة المتشابكة.
والخطوة التالية هي استخدام أفلام البوليمر الخاصة بهم في الأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء مثل أحزمة الساعات الذكية وأجهزة الاستشعار، والإلكترونيات المرنة لمراقبة الصحة. واختبر مختبر وانغ أيضًا نسخة جديدة من المادة المتوافقة مع الطباعة ثلاثية الأبعاد، مما يفتح المزيد من الاحتمالات. “هناك الكثير من التطبيقات المحتملة، ونحن متحمسون لنرى إلى أين ستأخذنا هذه الخاصية الجديدة غير التقليدية.” قال وانغ.
