Игрушку превратили в чувствительный датчик

Физик Джонатан Коулман и новый материал G-putty. Рядом — его сын с «умным пластилином».

Исследователи из дублинского Тринити-колледжа (ирл. Coláiste na Tríonóide, англ. Trinity College, Dublin) и Манчестерского университета (The University of Manchester) превратили детскую игрушку «умный пластилин» (его также называют «жвачкой для рук») в сверхчувствительный датчик, который может считывать пульс, работать как дыхательный монитор и даже регистрировать шаги паука. Для этого они добавили к синтетическому полимеру хлопья графена — очень прочного, лёгкого и тонкого материала, хорошо проводящего электричество. Подробности превращения опубликованы в журнале Science

С тех пор, как в 2004 году учёные Андрей Гейм и Константин Новосёлов получили графен, исследователи добавляли его в самые разные полимеры, пытаясь создать композиционный материал, который будет обладать такой же прочностью и электрической проводимостью. Однако с вязкоупругими составами, вроде «умного пластилина», его ещё не смешивали. Это полимер проявляет себя и как твёрдое тело, и как жидкость: «жвачка» протекает через отверстия, но если слепить из неё мячик и ударить по нему молотком, он разобьётся на осколки.

Конор Боуленд (Conor Boland), работавший в лаборатории Джонатана Коулмана (Jonathan Coleman) при Тринити-колледже, решил выяснить, что получится, если объединить эти материалы. «Я бы хотел сказать, что всё было тщательно продумано и спланировано, но это не так, — смеётся Коулман. — Просто в моей научной группе есть традиция использовать предметы домашнего обихода при проведении экспериментов». Свои слова Коулман может подкрепить статьёй в Nature Materials: в 2014 году он и его коллеги получили графен, обрабатывая графит кухонным блендером.

В ходе нового исследования учёные смешали хлопья графена, толщиной примерно в 20 атомных слоёв и длиной до 800 нанометров с произведённым в лаборатории «умным пластилином» и получили новое вещество с высокой плотностью и проводимостью — G-putty (от «silly putty» — таково американское название игрушки). Даже незначительное изменение давления приводило к тому, что электрическое сопротивление материала резко возрастало. «Жвачка» была как минимум в десять раз чувствительнее других нанокомпозитных датчиков.

Когда исследователи обмотали кусок G-putty вокруг шеи одного из студентов, биение крови в сонной артерии так ясно отразилось на изменениях сопротивления, что по графику можно было бы определить кровяное давление. Затем материал поместили на грудь добровольца, и он работал как дыхательный монитор. И наконец, самое странное применение нового полимера — графеновый «пластилин» регистрировал отдельные шаги паучка весом всего в 20 миллиграммов. «Они хорошо продемонстрировали, насколько широка область применения нового материала, — говорит Винченцо Палермо (Vincenzo Palermo), специалист Национального научного совета Италии, который не принимал участия в исследовании.

Учёные проанализировали материал с помощью растровой электронной микроскопии и обнаружили, что листы графена формируют в «жвачке» сеть, проводящую электрический ток. Деформация материала разрушает её, и электрическое сопротивление увеличивается, однако благодаря низкой вязкости полимера, хлопья графена со временем возвращаются на место, и сеть формируется заново. «Это процесс самовосстановления», — объясняет Коулман.

Учёные ведут переговоры с разработчиками медицинских устройств — они заинтересованы в G-putty, поскольку материал может быть полезен для регистрации физиологических показателей. К примеру сейчас, чтобы измерить кровяное давление, людям приходится надевать на руку массивную и неудобную манжету. Небольшой неинвазивный сенсор был бы гораздо удобнее и наверняка пользовался бы спросом. Медицинское применение датчиков из графена интересует даже такие крупные компании, как Nokia, но до того, как новый полимер запустят в серийное производство, исследователям придётся провести серию испытаний и доказать, что материал можно производить в промышленных количествах и что в реальном мире он работает не хуже, чем в лаборатории. «Для того чтобы решать реальные задачи, нужно добиться, чтобы материал работал одинаково тысячи раз», — говорит Палермо.

Исследователи уже столкнулись с непредвиденными трудностями. Боуленд собирался провести сравнительные испытания с участием двух пауков, но оставил их без присмотра, а вернувшись, обнаружил, что большое членистоногое съело своего меньшего сородича. «Он не был готов к сложностям работы с животными», — комментирует Коулман.

«Умный пластилин» — пластичная игрушка на основе кремнийорганического полимера, созданная в 1943 году шотландским учёным Джеймсом Райтом. Полимер был получен как побочный результат в ходе экспериментов, направленных на получение синтетических заменителей натурального каучука. Нетоксичен, не имеет ни запаха, ни вкуса, не прилипает к рукам и не пачкается. В США игрушка известна как «глупая замазка» (англ. «Silly Putty»).