Обычные гидрогелевые датчики в мороз быстро теряют эластичность: вода внутри них замерзает, материал твердеет, а проводимость падает. Китайские исследователи предложили решение — 3D-печатный гидрогель на основе целлюлозы, который сохраняет гибкость и способность регистрировать движения даже после недели при −25°C (−13°F).
Материал сделали из целлюлозы хлопковой пульпы — доступного и возобновляемого сырья. Чтобы превратить жёсткую кристаллическую структуру целлюлозы в мягкий проводящий гель, учёные растворили её в смеси хлорида цинка и бромида лития. Получившийся прозрачный гидрогель получил обозначение HZ0.3L0.7-C3.
Ключевые характеристики
Гидрогель сочетает сразу несколько полезных свойств:
- ионная проводимость — 4,48 См/м;
- прочность на сжатие — до 2,48 МПа;
- устойчивость к замерзанию (в диапазоне от −80 до +20°C не наблюдалось пиков кристаллизации воды).
После 168 часов при −25°C материал продолжал стабильно реагировать на сгибание пальцев и нажатия. Время отклика составило около 100 миллисекунд, время восстановления — примерно 300 миллисекунд. Гидрогель выдержал 500 циклов сжатия с деформацией 30% без потери характеристик.
Практическое применение
Материал обладает свойством псевдопластичности (shear-thinning): под давлением он течёт, а после печати сохраняет форму. Это позволило создавать на 3D-принтере сложные структуры — например, пятиконечные звёзды и кленовые листья.
Для контакта с кожей гидрогель покрыли полидопамином. Датчики можно крепить на пальцы, запястья, локти и даже горло. В одном из экспериментов исследователи собрали «умные» перчатки, которые в реальном времени передавали движения руки роботу-манипулятору.
Большинство существующих гидрогелевых сенсоров плохо работают на морозе и часто содержат синтетические проводящие полимеры. Новая разработка опирается на природную целлюлозу и соли, остаётся мягкой при низких температурах и подходит для 3D-печати. Это открывает путь к носимой электронике для работы на улице зимой, в холодильных камерах и других холодных условиях.
Пока материал находится на стадии лабораторных прототипов. Перед коммерческим применением потребуются дополнительные испытания. Тем не менее подход уже показывает, что возобновляемое сырьё может решать вполне практические задачи современной электроники.
