Selvhelende elektroluminescerende (EL) enheder

Fremstillingsprocessen og mekanismen for selvhelbredelse. Synteseproces af PAA/NaCl -ionlederlaget i (a) og PU/ZnS/BN -kompositphosphorlaget i (b), hvor de optiske fotografier af de opnåede lag vises. c-i) Skematisk princip og struktur for den selvhelbredelige EL-enhed. c-ii) Ækvivalent kredsløb for en EL-enhed, hvor C repræsenterer den tilsvarende kondensator og R repræsenterer den ioniske lederes modstand. d-i) Skære-helingsproces af den fremstillede selvhelbredelige EL-enhed. d-ii) Skematisk afskåret område, som illustrerer den selvhelbredelige mekanisme og konfigurationen af hvert lag. e) SEM -billede af det indledende PU -phosphorlag fra bund til top synsvinkel. f) SEM -billede af helet PU -phosphorlag; det helede sår blev repræsenteret af det røde rektangel. Kredit:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.

I en nylig undersøgelse, materialeforskere Guojin Liang og hans kolleger ved Institut for Materialevidenskab og Teknik, City University of Hong Kong, har udviklet en selvhelbredende, elektroluminescerende (EL) enhed, der kan reparere eller helbrede sig selv efter skade. Inspireret af biologiske systemers selvhelbredende kapacitet, den nye proces baner vejen for en række nye elektroniske applikationer. Mens EL -enheder typisk bruges i digitale skærme, baglygter til kontrolpaneler og bærbar elektronik, de er tilbøjelige til at beskadige. Skørheden kan begrænse enhedens arbejdsliv, bæredygtighed og pålidelighed til langsigtede elektroniske applikationer.

Den første selvhelende EL-enhed udviklet i undersøgelsen blev konstrueret ved hjælp af en modificeret selvudglødende polyacrylsyrehydrogel til elektroder, koblet til selvhelende polyurethan som en phosphorvært til elektrisk isolering. Forskerne demonstrerede, at de fysiokemiske egenskaber ved genoprettelse af enheder kunne opretholdes, selv efter at de havde oplevet katastrofale skader. Sådanne EL-systemer vil have nye og spændende næste generations applikationer som helbredende hydrogeler og dielektriske polymerer i bærbare enheder. Værket er nu offentliggjort den Lys:Videnskab og applikationer .

Selvlysende EL-apparaters selvlysende ydeevne blev genoprettet med høj helingseffektivitet i undersøgelsen. Konceptet kunne overføres til helbredelse mellem enheder for at realisere en konceptuel LEGO-lignende samlingsproces i lysemitterende enheder. Gennem design- og teknikprocessen for selvhelbredende EL-enheder, forskerne havde til formål at genoplive deres præstationer, mens de forlængede deres levetid, selv efter at materialet blev skåret i to. Liang et al. forventer, at sådanne selvhelende EL-enheder udviklet ved hjælp af ionisk ledende helbredende hydrogeler og dielektriske polymerer skal tjene som et modelsystem til elektroluminescerende applikationer.

Elektroluminescerende (EL) enheder har applikationer i alsidige systemer og discipliner, herunder blød robotik, som kunstige hudaktuatorer; inden for fleksibel elektronik, bærbar elektronik, digitale displays og som sensorer. Fremskridt inden for materialevidenskab har ført til udsøgt designet og udviklet multifunktionelle EL-enheder ved hjælp af gennemsigtige, ledende materialer, der integrerer biologisk inspireret blød robotik og optimerede enhedskonfigurationer. Eksempler omfatter:

Strækbare robotter med blæksprutte-inspireret camouflage.
Sølv nanotråde til gennemsigtige elektroder i selvdeformerbare EL-aktuatorer.
Ekstremt strækbare EL -enheder konstrueret med ionisk ledende hydrogeler, og bærbare stoffer og sensorer til optisk kommunikation.

Selvom maskintekniske processer har udviklet robuste enheder med robuste materialer, til enhedskonfigurationer, der minimerer belastning, hvis belastningen overskrider den modstandende grænse, forringelse af enhedens ydeevne kan ikke undgås. Vedligeholdelse og udskiftning af sådanne defekte komponenter i integrerede, multifunktionelle elektroniske systemer er enten umulige eller dyre og er fortsat en primær bekymring. Udvikling af en effektiv strategi kan forlænge EL -enheders levetid betydeligt.

Karakteriserer EL -enheden. a – c) Billeder af de selvhelbredende processer i EL-komponentlagene og enheden (PAA-lag-a, PU -kompositlag — b, og EL -enhed - c). I disse processer, i) viser de oprindelige tilstande, ii) viser nedskæringstilstandene, iii) viser de helede tilstande, iv) viser de helede tilstande ved at hænge en vægt, og det røde rektangel angiver de helbredte sår. Vægten er 10 g masse. d) PAA -lederens ioniske ledningsevne efter flere skærehelingstider. e) Dielektrisk kapacitans af PU -phosphorlag efter flere skærehelingstider. f) Mekanisk styrke af EL -enheden efter flere skærehelingstider. Kredit:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.

I undersøgelsen, selvhelbredende materialer blev designet og udviklet med iboende eller ekstrinsiske helbredende træk, ligner tidligere forsøg. De nuværende funktioner gør det muligt at reparere autonome skader, selv under eksterne stimuli såsom pH, lys, elektriske eller magnetiske felter efter omfattende skader. Der findes helbredende egenskaber på materialets niveau, men forbedringer for at forbedre enhedens levetid og pålidelighed er i gang. Et flertal af tidligere selvhelbredende forestillinger var også kun gældende på niveau med et enkelt bestanddel i en flerlags EL-enhed, hvor de resterende lag blev repareret manuelt via små plastre.

For at håndtere eksisterende begrænsninger, Liang et al. vedtaget modificerede selvhelende polyacrylsyre (PAA) hydrogeler indeholdende natriumchlorid (NaCl) som en ionisk elektrode. Derefter inkluderede de selvhelende polyurethan (PU) -holdige zinksulfid (ZnS) partikler som et phosphorkompositlag for at demonstrere den første medfødt optimerede selvhelende EL-enhed i undersøgelsen. Ved siden af helbredelse af brudskader, heling mellem enheder blev også genoprettet for første gang for at muliggøre LEGO-lignende samling på niveau med EL-enheden. Undersøgelsen forenklede komplekse og dyre reparations- og udskiftningsprocesser i integrerede elektroniske systemer.

Selvhelende EL-enhed. Forskerne demonstrerer den selvhelbredende EL-enhed gennem den indledende arbejdstilstand og efter snittet, helbredende og genoplivet arbejdstilstand. Kredit:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.

De polymerbaserede hydrogeler (PAA-lag og PU-kompositlag) blev udviklet på molekylært niveau for at opnå den ønskede fysisk-kemiske karakter. En hydrogel blev konstrueret til samtidig at realisere de ønskede træk ved gennemsigtighed i synligt lys, ionisk ledningsevne og selvhelbredelse. PAA -hydrogel indeholdt ensartet fordelt NaCl (4M) for at opnå 96,5 procent gennemsnitlig transmittans for gennemsigtighed i området for synligt lys og en høj ionisk ledningsevne på 2,1 S/m. Carboxylgrupperne på PAA-rygraden overførte selvhelbredende evne til hydrogel via hydrogenbinding.

Den elektrisk isolerende, lysemitterende og selvhelende phosphorkompositlag indeholdt PU modificeret med carboxylgrupper for at binde phosphorpartikler (ZnS). Forskerne brugte bor-nitrid (BN) nanosheets til at øge dielektrisk permittivitet og forbedre luminescens af det sammensatte lag. Den sidste EL-enhed omfattede en konfiguration i tre lag. Materialerne blev vurderet ved hjælp af scanningselektronmikroskopi (SEM) efter fremstilling og efter skader/helingsresponsen. Fysisk-kemisk karakter af materialet i flere lag blev genoprettet efter skader.

Karakteriserer det indledende helbredelsesrespons:lysemitterende ydeevne for den selvhelede EL-enhed efter skæringshelingsproces. en demonstration af skærings -helingsprocessen for den helbredbare EL -enhed. a-i – a-iii viser den oprindelige arbejdstilstand, skær tilstand, og genoplivet arbejdstilstand, henholdsvis, efter helbredelse. a-iv viser bøjningstilstanden for den helede EL-enhed. b Luminans -spændingskarakteristika for EL -enheden for de indledende og helede tilstande. c Fordeling af det elektriske felt over phosphorlaget, hvor farvebjælken repræsenterer intensiteten af det elektriske felt. d Forstørret billede af et markeret område i c, hvor pilenes længder og retninger repræsenterer værdier og retninger, henholdsvis, af det elektriske felt ved siden af helingsområdet. e Værdivariationen af de elektriske felter som funktion af afstanden til helingspunktet, hvor ΙEΙ repræsenterer værdierne for de omfordelte elektriske felter og ΙE0Ι repræsenterer den oprindelige værdi af de distribuerede elektriske felter før skærings -helingsprocessen. Kredit:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.

EL-enheden indeholdt det sammensatte phosphorlag (sammensat af PU/ZnS/BN) klemt inde af to symmetriske (PAA-NaCl-baserede) transparente ioniske ledere. Morfologien for hvert lag/komponent blev karakteriseret ved hjælp af feltemission SEM og optiske billeder. Gendannelse af mekanisk styrke efter heling af hvert lag blev vurderet ved at hænge en vægt. Ioniske konduktiviteter, der blev målt med elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS), viste fuld restaurering i forhold til den oprindelige værdi, selv efter 10 skærehelingscykler.

Som bevis på arbejdsprincippet, forskerne observerede også genoplivning af et lysemitterende diode (LED) kredsløb efter cut-healing cyklusser af det ledende materiale. Kapacitans for det dielektriske lag forblev næsten konstant efter forskellige helingscykler, hvilket indikerer, at lysemissionsintensiteten og distribueret spænding forblev næsten konstant efter heling. Mekaniske egenskaber ved den helede EL -enhed indikerede genoprettelse af både trækstyrke og Youngs modul ved enhedens brydepunkt, selv efter 10 skærehelingscykler.

LEGO samleproces af selvhelende EL-enheder. a) En komplet EL -enhed blev skåret i to individuelle EL -enheder. a-i) angiver den oprindelige hviletilstand, a-ii) arbejdstilstanden og a-iii) skæretilstanden. b) De som opnåede to EL-enheder i driftstilstand. c) De som opnåede to EL-enheder blev samlet til et "T" lysemitterende brev. d) De samlede lysemitterende tegn som "CITYU" med forskellige EL-enheder. Kredit:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.

Forskerne demonstrerede også den oprindelige arbejdstilstand, skæretilstand og helet tilstand (arbejde efter helbredelse) styret af det rationelle design for både materialer og enheden. Vellykket genoplivning af EL-enhedens lysemitterende ydeevne indikerede restaurering af fysisk-kemiske og mekaniske egenskaber i hvert funktionelt lag. De eksperimentelle data passer godt med ligningen afledt i undersøgelsen for både indledende arbejdstilstand og helet tilstand.

Baseret på EL -enhedernes enestående helingskapacitet, forskerne samlede et par EL-enheder til et integreret EL-system for at bygge en LEGO-samling af lysemitterende enheder. For at opnå dette i laboratoriet, EL -enheden blev skåret i to for at skabe EL1 og EL2, og begge enheder arbejdede uden synlig nedbrydning i luminescens. Under LEGO samleprocessen, forskerne implementerede to EL-enheder for at danne et T-formet lysemitterende brev, med synlig funktionalitet på helbredelse. Derudover forskerne samlede materialerne for at danne ord med farverige lysemissioner ved hjælp af ZnS -fosforpartikler dopet med forskellige elementer.

Undersøgelsen var den første til at rapportere den vilkårlige LEGO-lignende samling af EL-enheder, hvor alle funktionelle lag kunne helbredes. Det nye design kan anvendes til at udvikle ionisk ledende, helbredende hydrogeler som transparente elektroder og helende dielektriske polymerer med isolerende fosforlag. Sådanne materialer vil have avancerede applikationer til at bygge den næste generation af bærbare, deformerbar og selvhelbredende elektronik.

Sidste artikelPræcisionseksperiment først for at isolere, måle svag kraft mellem protoner, neutroner

Næste artikelBedre sikkerhed opnået med tilfældigt generering af biologiske krypteringsnøgler