В последние годы исследователи синтезировали различные новые материалы, которые могут быть использованы для разработки более совершенных роботизированных систем, устройств и интерфейсов человек-машина. Эти материалы включают графеновые аэрогели, сверхлегкие, пористые и графеновые материалы, состоящие из одного слоя атомов углерода, расположенных в решетке в виде 2D-сот.
Хотя графеновые аэрогели обладают многочисленными полезными свойствами, включая минимальный вес, высокую пористость и хорошую электропроводность, инженеры, которые пытались использовать их для разработки датчиков давления, столкнулись с некоторыми трудностями. В частности, многие из этих материалов имеют изначально жесткую микроструктуру, что накладывает ограничения на их возможности определения деформации.
Исследователи из Сианьского университета Цзяотун, Нортумбрийского университета (Великобритания), Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, Альбертского университета и других институтов недавно представили новую стратегию изготовления для синтеза метаматериалов аэрогеля, чтобы преодолеть это ограничение. Эта стратегия, изложенная в статье в Nanoletters , позволяет изготавливать прочный метаматериал аэрогеля на основе оксида графена , который демонстрирует замечательную чувствительность к человеческому прикосновению и движению.
«Исследование было вызвано исключительно любопытством моего студента, который время от времени замечал аномальное изменение структуры в поперечном сечении определенной плоскости», — рассказал Phys.org доктор Бен Сюй, соавтор статьи. «Это анизотропное изменение фазы привлекло внимание. Вскоре мы поняли, что связанное с этим изменение функции может обеспечить прекрасную функцию измерения давления направленно».
Стратегия команды по изготовлению метаматериалов на основе оксида графена охватывает два ключевых этапа. Они включают использование метода дегидратации, известного как сублимационная сушка, и процесса термической обработки, известного как отжиг.
«Предварительный раствор также содержит определенное химическое вещество, которое действует как графеновый «клей» для построения поперечного сечения типа сот», — пояснил доктор Сюй. «Конфигурация структуры поперечного сечения на выделенной плоскости реализуется путем термического отжига, который можно настроить с помощью микро-/наномеханики. Используя эту простую стратегию, смятое поперечное сечение было получено с первой попытки».
Используя предложенную стратегию изготовления, доктор Сюй и его коллеги синтезировали анизотропный сшитый хитозан и восстановленный оксид графена (CCS-rGO) аэрогельный метаматериал. Было обнаружено, что этот материал демонстрирует замечательную направленную гиперэластичность, необычайную прочность, отличные механические и электрические характеристики, большой диапазон чувствительности и очень высокую чувствительность к стимулам 121,45 кПа -1.
«Сейчас мы проводим междисциплинарные исследования с различными интересами в области функциональных материалов и энергетических технологий , устойчивого машиностроения, материалов для здравоохранения, химии материалов, адаптивных материалов/поверхностей и микроинженерии», — сказал доктор Сюй.
Команда доктора Сюй из Нортумбрийского университета в настоящее время проводит дальнейшие исследования, направленные на разработку перспективных метаматериалов для различных технологических приложений. В будущем предложенная ими стратегия изготовления может способствовать синтезу дополнительных метаматериалов на основе аэрогеля на основе оксида графена, которые могли бы усовершенствовать интерфейсы человек-машина для передовых медицинских и протезных устройств.
Еще одно направление развития таких датчиков — ветроэнергетика.
«В последнее время мы много внимания уделяли функциональным материалам и инженерным технологиям для сектора морской ветроэнергетики», — добавил д-р Сюй. «Мы также с нетерпением ждем возможности применить наши исследования материалов/датчиков в недавно выданном EU COST Action CA23155, чтобы продвигать новую океаническую трибологию. Этот проект фокусируется на морской ветроэнергетике , которая вносит вклад в глобальную цель чистого нуля и устойчивости».