이 신축성 있는 전자 소재는 “우블렉”처럼 충격을 받으면 단단해집니다.

과학자들은 언젠가 스마트폰을 떨어뜨려도 회복할 수 없는 손상이 발생하지 않도록 가볍고 유연하며 저렴한 웨어러블 전자 장치를 위한 새로운 소재를 개발하는 데 열중하고 있습니다. 캘리포니아 대학교 머세드(Merced) 연구팀은 옥수수 전분과 물을 적절한 양으로 혼합하면 천천히 저으면 액체이지만 펀치를 가하면 굳어지는 슬러리가 생성되는 것과 마찬가지로 충격에 반응하여 분해되기보다는 실제로 더 단단해지는 전도성 고분자 필름을 만들었습니다. (예: “oobleck”). 그들은 이번 주 뉴올리언스에서 열린 미국 화학 학회 회의에서 자신들의 연구 결과를 설명했습니다.

앞서 언급했듯이 우블렉을 만드는 방법은 간단하고 쉽습니다. 물 한 부분과 옥수수 전분 두 부분을 섞고, 재미를 위해 약간의 식용 색소를 추가하면 가해지는 압력의 양에 따라 액체 또는 고체로 작용하는 우블렉(Oobleck)이 완성됩니다. 액체 상태일 때 천천히 꾸준히 저어줍니다. 세게 치면 주먹 아래에서 더욱 단단해집니다. 이는 비뉴턴 유체의 전형적인 예입니다.

~에 완벽한 액체점도는 주로 온도와 압력에 따라 달라집니다. 물은 휘젓거나 섞는 등 물에 작용하는 다른 힘에 관계없이 계속해서 흐릅니다. 비뉴턴 유체에서는 적용된 압력이나 전단력에 따라 점도가 변하므로 유체와 고체 거동 사이의 경계를 넘습니다. 한 컵의 물을 움직이면 전단력이 발생하고 물 가위는 방해가 되지 않습니다. 점도는 변하지 않습니다. 그러나 불투명과 같은 비뉴턴 유체의 경우 전단력이 가해지면 점도가 변합니다.

예를 들어, 케첩은 전단 두께의 비뉴턴 유체입니다. 이것이 병 바닥에 닿아도 케첩이 더 빨리 나오지 않는 이유 중 하나입니다. 힘을 가하면 점도가 증가합니다. 요구르트, 국물, 슬러리 및 푸딩이 다른 예입니다. 우블렉도 마찬가지다. (이름은 Dr. Seuss의 1949년 동화책에서 따왔습니다. 바르톨로메오와 우블렉.) 이와 대조적으로 논드립 페인트는 “전단 희석” 효과를 나타내며 쉽게 닦아낼 수 있지만 벽에 바르면 점성이 더 커집니다. 작년에 매사추세츠 공과대학의 과학자들은 그는 그것을 확인했다 액체에서 고체로 변하는 과정에서 입자 사이의 마찰이 결정적인 역할을 하며, 마찰이 일정 수준에 도달해 점도가 갑자기 높아지는 전환점을 결정한다.

Wu는 고분자 재료에서 우블렉의 전단-두꺼워짐 현상을 모방하기로 결정한 재료 과학자 Yu(Jessica) Wang 연구실에서 일하고 있습니다. 유연한 고분자 전자소자는 일반적으로 스파게티처럼 길고 얇은 공액 전도성 고분자를 연결해 만들어진다. 그러나 이러한 물질은 특히 크고 빠른 충격에 반응하여 여전히 분해됩니다.

그래서 Wu와 Wang은 스파게티 같은 폴리머를 더 짧은 폴리아닐린 분자와 폴리스티렌 설포네이트(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 또는 PEDOT:PSS, 즉 네 가지 다른 폴리머와 결합하기로 결정했습니다. 4개 중 2개는 양전하를 띠고, 2개는 음전하를 띠고 있습니다. 그들은 이 혼합물을 사용하여 신축성 있는 필름을 만든 다음 기계적 특성을 테스트했습니다.

필름은 붕괴되기보다는 충격에 반응하여 변형되고 늘어나는 우블렉(oobleck)과 매우 유사하게 행동합니다. Wang은 이 구조를 스파게티와 미트볼이 담긴 큰 그릇에 비유했는데, 그 이유는 양으로 하전된 분자가 물을 좋아하지 않아 미세한 공 모양의 구조로 조립되기 때문입니다. 그녀와 Wu는 이러한 미세구조가 충돌 에너지를 흡수하여 분해되지 않고 평평해진다고 제안합니다. 이 효과를 얻는 데는 PEDOT:PSS가 많이 필요하지 않습니다. 단 10%면 충분합니다.

추가 실험에서는 더 효과적인 첨가제인 양전하를 띤 1,3-프로판디아민 나노입자가 확인되었습니다. 이러한 입자는 충격에 반응하여 추가로 변형될 수 있을 만큼 폴리머 “미트볼” 상호 작용을 약화시키는 동시에 길고 교차 연결된 스파게티 같은 폴리머 간의 상호 작용을 강화할 수 있습니다.

다음 단계는 폴리머 필름을 스마트 시계 밴드, 센서 등 웨어러블 전자 장치는 물론 건강 모니터링을 위한 유연한 전자 장치에 적용하는 것입니다. Wang의 연구실은 또한 3D 프린팅과 호환되는 새로운 버전의 재료를 실험하여 더 많은 기회를 열었습니다. “잠재적인 응용 분야가 많이 있으며, 이 색다른 새로운 특성이 우리를 어디로 데려갈지 기대됩니다.” 왕이 말했다..