Ученые из Северо-Западного университета разработали гибкие наноматериалы, способные одновременно хранить энергию и записывать цифровую информацию. Эти энергоэффективные и биосовместимые материалы созданы на основе поливинилиденфторида (ПВДФ) — пластика, способного генерировать электрические сигналы при нажатии или сжатии. Их можно интегрировать в маломощные чипы памяти, датчики, накопители энергии, а также использовать для создания умной ткани и медицинских имплантов, похожих на наклейки. Это позволит производить легкую носимую электронику с активными функциями. Например, в будущем может появиться одежда с охлаждением. Новый материал также сократит воздействие на окружающую среду в сфере электронного производства и утилизации.
Секрет нового материала — пептидные амфифилы, ранее синтезированные в лаборатории. Эти самоорганизующиеся структуры образуют нити в воде и уже продемонстрировали перспективность в регенеративной медицине. Молекулы пептидных амфифилов содержат пептидную и липидную части, взаимодействие которых инициирует процесс самосборки при контакте с водой.
В новом исследовании команда заменила липидный фрагмент молекулы на миниатюрный сегмент пластика под названием поливинилиденфторид (ПВДФ). Пептидный фрагмент, содержащий последовательности аминокислот, при этом остался неизменным. ПВДФ, широко применяемый в акустических системах и сонарах, обладает уникальными электрическими свойствами.
Материал может генерировать электрические сигналы при нажатии или сжатии — свойство, известное как пьезоэлектричество. Он также относится к сегнетоэлектрикам, то есть обладает электрической поляризацией, направление которой можно поменять на 180 градусов под действием внешнего электрического поля. Как правило, сегнетоэлектриками являются твердые материалы, содержащие редкие или токсичные металлы, такие как свинец и ниобий.
ПВДФ был открыт в конце 1960-х годов и стал первым известным пластиком с сегнетоэлектрическими свойствами. Кроме того, он достаточно прочный. Однако в чистом виде его сегнетоэлектрические свойства нестабильны, и при нагревании выше температуры Кюри он необратимо теряет свою полярность.
Весь пластик, включая ПВДФ, состоит из полимеров — гигантских молекул, образованных тысячами химических структурных единиц. Ученые создали крошечные полимеры, состоящие всего из 3-7 звеньев винилиденфторида. Эти миниатюрные фрагменты с 4, 5 или 6 звеньями, под воздействием природных бета-слоистых структур, характерных для белков, самоорганизовались в стабильную сегнетоэлектрическую фазу.
Сэмюэл И. Ступп, возглавляющий исследование, охарактеризовал это открытие как новую концепцию в области материаловедения и исследований мягких материалов.
По его мнению, в будущем появится одежда со встроенными системами охлаждения или мягкие биоактивные импланты, имитирующие ткани человеческого организма, для беспроводной стимуляции сердечной или мозговой деятельности. Чтобы создать такие устройства, нужны электрические и биологические сигналы. Но обычные материалы, которые проводят электричество, слишком жесткие. Их нельзя вживить в тело или сделать из них одежду. Мягкие материалы, которые тоже проводят электричество, могут стать альтернативным решением.
