編譯/韋士塔
功能先進的科技產品日益精巧,但這些裝置會遭逢的一項問題是,一旦摔落、受到撞擊時容易損壞,耐用性不足。為了提升這些產品的耐用性,美國默塞德加州大學(University of California , Merced)的科學家正開發一種創新材料,除了具備感測器及穿戴式裝置應有的導電能力,還能在受到撞擊或拉伸時變得更具韌性,讓產品更堅固。
研究團隊2024年在美國化學會(ACS)春季會議展示最新研究成果,研究人員指出,意外事件常在日常生活中發生,例如智慧手表、智慧手機摔落或被猛烈撞擊,往往導致這些裝置毀損。有鑒於此,研究團隊開發一種柔軟、有彈性的「適應耐久性」(adaptive durability)材料,是未來穿戴式裝置或客製化醫療感測器的理想材料。
研究人員指出,在材料學中,「適應耐久性」代表這類材料足夠堅韌,即使在惡劣的環境也能避免受損、抵抗壓力。
參與這項研究的材料科學家王悅(Yue Wang,音譯)表示,開發這種新材料的靈感來自烹飪用的米澱粉;她說:「玉米澱粉摻水後可以攪拌,輕輕攪拌時有如液體,但快速施加壓力時,玉米澱粉漿就如同固體。」
王悅解釋,玉米澱粉漿具有非牛頓流體(Non-Newtonian fluid)特性,性質介於液體與固體之間。非牛頓流體的表面受到快速強力的衝擊時,會變得很硬,並出現固體特性。當表面壓力較小時則呈現液體性質。這個原理是因為用力擊打非牛頓流體時,壓力會均勻地傳遞到每一個分子顆粒,強大的分子間作用力,會產生反作用力,感覺非牛頓流體有如一堵牆。然而,如果慢速施加壓力,就能輕鬆地穿透非牛頓流體。
為了開發更耐用的科技裝置材料,王悅及研究團隊成員嘗試找出具有類似特質的聚合物固體導電材料。過去已有科學家開發出使用共軛聚合物(conjugated polymers,具導電性的長條狀分子)製造柔軟且可彎曲的材料,但大多數柔性聚合物若重複受到強力衝擊就會破裂。
王悅的團隊以此為基礎,嘗試各種共軛聚合物的組合比例,開發出耐用且具備非牛頓流體特性的材料。
研究團隊最後使用多種分子,組成一種薄膜,當受到快速衝擊時會變形或拉伸;這種聚合物可幫助材料導電,且具備韌性。受到撞擊時,這種材料會變得更堅韌,並可吸收衝擊力,保持材料的完整及導電性。
研究團隊表示,新材料涉及複雜技術,未來若能量產,將可大幅提升智慧手表、穿戴式感測器或健康監測器的耐用性;此外,客製化的電子義肢也是這種多功能材料的應用範圍,有望製造更耐用的3D列印義肢。
王悅認為,開發新材料有可能改變未來,她非常期待創新材料能推動更靈活、更耐用的生物感測及各種裝置。