В Московском Политехе разрабатывают самовосстанавливающиеся материалы для гибкой электроники
В Московском политехническом университете в кооперации с ИОХ Н.Д. Зелинского РАН ведут разработку самовосстанавливающихся полиуретанов для гибких сенсоров. Материалы создаются из возобновляемого растительного сырья — фурфурола. При повреждении (микротрещины, царапины) они способны восстанавливать структуру при нагревании без участия человека. Исследование выполняется при поддержке гранта конкурса имени П.Л. Капицы Московского Политеха, который реализуется в вузе в рамках федеральной программы «Приоритет 2030».
В основе разработки — реакция Дильса–Альдера между фураном и малеимидом, отличающаяся термообратимостью. Ключевая инновация учёных Московского Политеха — использование предварительно сформированных функциональных аддуктов (7-оксанорборненов с гидроксильными группами) в качестве прямых мономеров для синтеза полиуретанов. Такой «мономерный подход» позволяет точно управлять плотностью сшивки, архитектурой сети и расположением динамических связей.
При нагреве выше 120°C происходит разрыв связей (ретро-реакция Дильса–Альдера), материал становится текучим, а при охлаждении связи восстанавливаются. Именно это свойство позволяет полимеру «затягивать» микротрещины. В отличие от идеализированных схем, при многократных циклах восстановления возможно частичное ухудшение свойств из-за нежелательной гомополимеризации малеимидов, которая протекает в том же температурном диапазоне. Это одно из текущих ограничений технологии, которое коллектив стремится преодолеть путём модификации структуры малеимидных фрагментов и введения дополнительных динамических связей (например, водородных).
Работу ведет ученый университета Константин Галкин — лауреат медали РАН с премией для молодых ученых, руководитель трёх проектов Российского научного фонда в области использования возобновляемого сырья для получения продуктов тонкой органической химии и полимерных материалов. Научные результаты проектов опубликованы в ведущих международных журналах.
«Ключевое преимущество таких систем — возможность управлять свойствами полимера, изменяя структуру исходных фурановых мономеров ещё на стадии синтеза аддукта. Мы разрабатываем подходы к функционализации фуранового кольца, которые позволяют получать материалы с заданными механическими и оптическими характеристиками. В перспективе это открывает путь к сенсорам, способным не только выдерживать механические нагрузки, но и сигнализировать о повреждении через изменение флуоресцентных свойств — однако это направление пока находится на стадии фундаментальных исследований», — пояснил Галкин.
Практическая ценность разработки — в существенном увеличении срока службы гибких датчиков. Такие сенсоры применяются в носимой электронике и робототехнике, где замена или ремонт компонентов затруднены. Небольшое механическое повреждение (микротрещина, надлом) в большинстве случаев выводит обычный сенсор из строя. Самовосстанавливающийся материал в аналогичной ситуации при кратковременном нагреве восстанавливает работоспособность без вмешательства специалиста и без замены компонента. В текущей версии материала заживление требует внешнего теплового импульса, что приемлемо для многих устройств, но в будущем ожидается снижение температуры срабатывания.
Параллельно на базе университета реализуется студенческий проект с участием студентов химических и материаловедческих специальностей. Его результатом должен стать опытный образец термочувствительного самовосстанавливающегося полиуретана — материала, который в дальнейшем может лечь в основу гибких сенсоров нового поколения.
Фото: https://www.magnific.com/ru
