Прозрачный искусственный мускул научился проигрывать музыку, чтобы доказать: электрические токи, переносимые ионами, а не электронами, также могут широко использоваться в различных устройствах.

В лаборатории материаловедения Гарвардского университета прозрачный диск, подключенный к ноутбуку, воспроизводит прелюдию Грига «Утро» к пьесе «Пер Гюнт». Этот необычный динамик представляет собой тонкий лист прозрачной резины, зажатый между двумя гелевыми слоями. Высоковольтный источник тока заставляет пленку сокращаться и вибрировать, воспроизводя звуки во всем слышимом диапазоне, от 20 герц до 20 килогерц.

Но это не обычный ток. Данное устройство нельзя назвать электронным, поскольку основную работу по переносу заряда и созданию тока в нем выполняют не электроны, а ионы.

Ионные проводники вполне могут заменить собой электронные, а в некоторых случаях даже обеспечить ряд преимуществ. Например, их можно значительно растянуть, и это не приведет к значительному повышению удельного сопротивления, как в случае электронных устройств. Ионные проводники могут быть прозрачными, что делает их пригодными для использования в оптических системах. Можно подобрать биосовместимые гели-электролиты, пригодные для изготовления имплантируемых устройств. В конце концов, электрические сигналы человеческого организма также передаются ионами, и биоинженеры давно мечтают воссоздать подобную «систему связи» в искусственных органах.

Ионный динамик демонстрирует высоковольтную систему, способную к быстрому изменению — а ведь именно медлительность и неспособность к работе при высоких напряжениях ставили в упрек ионным проводникам в прошлом. Считалось, что высокое напряжение способно остановить электрохимические реакции, вызвать образование газов и «выжечь» материал. К тому же ионы, гораздо более крупные и тяжелые частицы, нежели электроны, обычно медленнее перемещаются вдоль электрической цепи. Но исследователи из Гарварда сумели решить эти проблемы, открыв дорогу к созданию множества новых устройств — биомедицинских приборов, быстродвижущихся гибких роботов и адаптивной оптики.

Используя резиновый слой в качестве изолятора, разработчики смогли контролировать напряжение в геле, подключенном к электродам, и избежать нежелательных химических реакций. В качестве входного сигнала используется переменный, а не постоянный ток, поэтому в системе, работающей как конденсатор, происходит не столько однонаправленное перемещение, сколько перераспределение ионов, которое можно производить тысячи раз в секунду.

В демонстрационном прототипе использован довольно простой электролит — полиакриламидный гель на основе соленой воды, но исследователи готовы экспериментировать с различными материалами, демонстрирующими ионную проводимость. В планах ученых — выявить сочетания материалов, обеспечивающие хорошую адгезию между слоями, долговечность устройств и оптимальные показатели работы, необходимые для решения определенных задач.

По пресс-релизу Harvard SEAS