Международная исследовательская группа из университета штата Техас в Далласе разработала электропроводящие волокна, которые могут обратимо растягиваться более чем в 14 раз от первоначальной длины, а их электропроводность при этом растяжении изменяется лишь незначительно.

Новые волокна можно использовать для создания искусственных мышц, конденсаторов, емкость которых увеличивается в десять раз при растяжении волокон, в качестве соединений для супер-упругих электронных схем; роботов и экзоскелетов, эластичных шнуров для зарядных устройств электронных устройств и прочем.

Новые волокна получают обертыванием листов из крошечных углеродных нанотрубок, формируя таким образом оболочку вокруг длинного резинового сердечника. Эта иллюстрация показывает сложный двумерный изгиб (показан желтым) углеродных нанотрубок вокруг резинового сердечника.

В статье, опубликованной в журнале Science, ученые описывают создание этих волокон. Оно заключается в обертывании электропроводящих, более легких, чем воздух, листов из крошечных углеродных нанотрубок вокруг длинного резинового сердечника, формируя подобную желе оболочку.

Новые волокна отличаются от обычных материалов несколькими моментами. Например, когда обычные волокна растягиваются, то в результате увеличения длины и уменьшения площади поперечного сечения ограничивается поток электронов через материал. Но даже «гигантское» растяжение новых волокон вызывает небольшое изменение в их электрическом сопротивлении, поскольку электроны могут проходить через сплетенную оболочку так же легко, как и через прямую.

Одним из ключевых моментов, определяющим свойства новых проводящих упругих волокон, является изгиб листов из углеродных нанотрубок. Поскольку резиновый сердечник растягивается вдоль длины, а листы обернуты вокруг него, то при возвращении в исходное состояние, углеродные нановолокна образуют сложную сцепленную структуру, что позволяет повторно растянуть волокно. Причем сцепленная форма образована не только вдоль длины волокна, но и по его окружности. Эта комбинация изгиба в двух измерениях предотвращает смещение осей нанотрубок и резины, что позволяет электрическому сопротивлению разработанного волокна быть нечувствительным к растяжению.

Видео демонстрирует небольшое изменение элекрического сопротивления при растяжении новых волокон.

Добавив тонкий резиновый слой и дополнительную оболочку из сцепленных нанотрубок, исследователи сделали тензодатчики и искусственные мышцы, в которых оболочки из сцепленных нанотрубок служили электродами, а тонкий резиновый слой – диэлектриком, в результате чего получался конденсатор.

Исследователи показали, что проводящие эластомеры могут быть изготовлены в диапазоне от очень малых диаметров – около 150 мкм, или в два раза толщины человеческого волоса – до гораздо больших размеров, в зависимости от размера резиновой вставки. Отдельные небольшие волокна также могут быть объединены в большие пучки, как нити или веревки.

Эта технология хорошо подходит для быстрой коммерциализации, считают исследователи.