В коммуникационных технологиях, навигации, медицине, нефтегазовой промышленности и даже в космосе для передачи больших объемов информации на дальние расстояния используют оптоволокно. Качество передаваемого сигнала напрямую зависит от наконечника, который механически выравнивает и соединяет концы кварцевых волокон между собой. Его можно встретить, когда подключается кабель с интернет-соединением к компьютеру или любому другому устройству. Оптоволокно должно быть хорошо зафиксировано в наконечнике, чтобы не допустить затухания сигнала и потери информации. Ученые ПНИПУ разработали эффективный способ его крепления в нужном положении с помощью гидрогеля из плавленого кварца и щелочи. Технология обеспечит надежное соединение волоконных линий и лучшую передачу светового сигнала.

Статья с результатами исследования опубликована в журнале «GLASS AND CERAMICS», 2024 год. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Оптический соединитель – это устройство, в наконечник которого вклеено оптоволокно. Он позволяет быстро подключать и разъединять волоконные линии между собой и с различными устройствами. Качество их соединения напрямую зависит от метода, который используется для сцепления наконечника с оптическим волокном. Важно не допустить между ними зазора, иначе могут возникнуть потери сигнала и ошибки в передаче информации.

В основном наконечники соединителей изготавливают из плавленого кварца (кремнезема) благодаря его высокой химической и механической стойкости. Его используют в работе оптоволокна при повышенных температурах вплоть до 300 °C. Полимерные клеи применять при таких температурах становится невозможным. Кварцевые детали также можно соединять с помощью лазерной сварки, но такое соединение затруднительно при массовом производстве и не гарантирует плотного крепления по всей окружности контакта.

Поэтому сейчас изучаются различные способы соединения волоконных линий и наконечника с использованием химических составов, стабильных при высоких температурах. Ученые Пермского Политеха разработали уникальную технологию получения гидрогеля, который прочно фиксирует оптическое волокно внутри отверстия наконечника.

– Сам соединитель и оптоволокно сделаны из плавленого кремнезема (кварца). Вступая в реакцию с гидроксидом натрия (щелочью), он образует полисиликат натрия – материал, который склонен к гелеобразованию и обладает связующими свойствами. При нагревании он расширяется и закрепляет оптическое волокно в нужном положении. Благодаря такому взаимодействию щелочи с поверхностями деталей мы получили фиксирующий гидрогель, – поясняет научный сотрудник лаборатории рационального природопользования и природоподобных технологий ПНИПУ, кандидат технических наук Марина Красновских.

Для проверки метода на практике политехники наносили 0,1 М раствор гидроксида натрия на соединитель со вставленным в него оптическим волокном. После заполнения зазора между деталями изделие помещали в термостат при температуре 90°C на один день, а затем подвергали термообработке при 250°C в течение 15 минут. Это привело к образованию непрерывной ячеистой структуры, которая прочно закрепила оптическое волокно в наконечнике.

Полученный учеными Пермского Политеха гидрогель эффективно фиксирует оптоволокно в наконечнике в необходимом положении. Разработанный метод крепления обеспечивает надежное соединение и не допускает потерю сигнала при использовании оптоволокна в различных областях промышленности.

Многие учёные по всему миру разрабатывают технологии наподобие “электрогеля”. Есть несколько путей, которых можно придерживаться.

1. Добавить в плохо проводящую жидкость проводящие частицы металла. Механизм здесь схож с тем, что вы могли видеть на уроках физики и химии, посвящённых электролитической диссоциации. Растворённые в воде соли, например, поваренная, превращаются в противоположно заряженные ионы, и при подаче электрического тока на электроды эти ионы выступают в роли переносчиков заряда с одного электрода на другой, свободно передвигаясь в растворителе. Только в нашем случае вместо привычного хлорида натрия используют разнообразные сложные органические соли, азотные соединения серебра или вовсе цельные частицы чистого металла (серебряные чешуйки, микрошарики золота или бромида цинка и т.п.). Однако проводимость таких систем весьма низкая, соли могут диссоциировать и безвозвратно осесть на электродах, а частицы металлов порвать стенки трубок.

2. Гидрогель с ионами. В данном случае в качестве среды используют не воду, а гидрогель или коллоидный раствор, а в качестве переносчика электричества — чистые ионы металлов. Но обычные гидрогели под действием постоянного тока зачастую теряют свою структуру с течением времени, а наличие свободных ионов металлов может привести к порче внутренней поверхности трубок.

3. Органические гель-системы и биомолекулы. Науке давно известно, какие вещества в живых клетках отвечают за их электропроводность. И их немало: в одной только дыхательной цепи митохондрий участвует более десятка молекул, в числе которых небезызвестный убихинон (кофермент Q10). В качестве среды же используют сложные органические полимерные составы, напоминающие цитоплазму клеток.

4. Гели без жидкостей. Вот на этом мы остановимся отдельно.

Так, в Тульском государственном университете разработали гидрогелевую плёнку-сенсор на основе хитозана (органический полимер), а переносчиком в ней выступает ферроценкарбоксальдегид — сложная молекула, содержащая атом железа. Плюсом такой плёнки является дешевизна (хитозан можно получать в больших количествах из графитовой золы, а ту — из отходов производства) и простота создания, а также высокая чувствительность (авторы оригинального исследования разрабатывали глюкозный сенсор). Минусы — недолговечность и хрупкость сенсора (плёнку наносят на графитовую матрицу).

Другое исследование как раз предполагает не просто более прочный материал, но самовосстанавливающийся.

Исследование так и называется: «A self-healing electrically conductive organogel composite», то есть, «Самолечащийся электропроводный органогелевый композит». Тут мы уже видим не просто гидрогель, а органогель — то есть сложную полимерную структуру, имитирующую некоторые свойства органических тканей. Такие, например, используют в медицине для заживляющих повязок от ожогов.

Но что значит «самозаживающий» или «самолечащийся»?

Дело в том, что данный органогель состоит из тяжёлых полимерных органических молекул, которые сами по себе обладают большой адгезией. Будучи разъединёнными повреждением, при сближении фрагментов молекулы снова слипаются, диффундируют друг в друга и восстанавливают общую структуру — никакой специальной починки, склейки и спайки здесь не требуется.

При этом есть два типа самозаживающих полимеров (SHp): с активным и пассивным механизмом заживления. Активные или неавтономные требуют внешнего воздействия, чтобы начать восстанавливаться (подача тока, УФ-облучение, нагрев и т.п.). Пассивные или автономные затягиваются сами по себе или под действием непосредственно повреждений (например, уплотняющиеся при давлении).

В качестве переносчика электронов в таких гелях могут также использоваться разнообразные металлические микро- и наносферы, микрохлопья (серебро) и микрокапли (галлий) или некоторые молекулы, способные менять свою структуру под действием тока.

А как же высыхание? Гидрогели же подразумевают наличие воды в составе. Да и далеко не все органические молекулы растворяются в воде.

У этого тоже есть решение. Например, использование вместо воды этиленгликоля или аналогичного вещества решает обе проблемы.

А вот уровень электропроводности таких систем пока низкий. Хотя цифры в 7 × 10^4 см*м^–1 выглядит внушительно, современные роботы требуют в разы более мощные потоки. Впрочем, всё ещё впереди.

Ах, да. На основе таких гидрогелей уже делают небольшие электроды для бионических конечностей, элементы кардиостимуляторов и экспериментальных роботов. Например, робо-змею, вовчика и робо-улитку.

Источники:

Харькова Анна Сергеевна, Андреева Анна Дмитриевна, Арляпов Вячеслав Алексеевич Разработка электропроводящего гидрогеля на основе хитозана и медиатора электронного транспорта ферроценкарбоксальдегида // Известия ТулГУ. Естественные науки. 2018. №3.

Zhao, Y., Ohm, Y., Liao, J. et al. A self-healing electrically conductive organogel composite. Nat Electron 6, 206–215 (2023).

Seppe Terryn, Jakob Langenbach et al. A review on self-healing polymers for soft robotics. Materials Today, Volume 47, 2021, 187-205

Zhang, J.; Wang, Y.; Wei, Q.; Wang, Y.; Lei, M.; Li, M.; Li, D.; Zhang, L.; Wu, Y. Self-Healing Mechanism and Conductivity of the Hydrogel Flexible Sensors: A Review. Gels 2021, 7, 216.

Наш дзен: https://dzen.ru/id/6309229a98f36728dd8046f0

Текст: #Хигерович@inbioreactor

Редактура: #li_za_ve@inbioreactor

ПОДДЕРЖАТЬ АВТОРОВ БИОРЕАКТОРА.