Selvhelbredende flydende metal-elastomerer

Skaber robuste ledende spor. (a) Skema til at illustrere processen med prægning, hvor diskrete isolerende dråber af flydende metal er selektivt præget for at danne et forbundet ledende netværk. (b) Optisk mikrofotografi af et præget område viser den distresserede komposit, som er elektrisk ledende, skala bar—250 μm. (c) Præget mønster i form af bogstaverne L og M med indviklede linjer og forbindelser (skalalinje—10 mm). (d) Et plot af R/R0 vs. påført belastning på et ledende spor (ϕ = 60 %, δ = 10 %). Den røde kurve viser den forudsagte R/R0-stigning med påført belastning for en metallisk leder, mens det prægede flydende metal ledende spor (blå kurve) viser konstant eller en reduktion af R/R0 (0,56 ved 1200 % belastning sammenlignet med 169 for forudsigelsen). Indsatsen viser billeder af en uanstrengt prøve og en prøve ved 1200 % belastning (skalabjælke—50 mm). Kredit:Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4

Blød elektronik efterspørges i stigende grad til forskellige applikationer, men de mangler stive indkapslinger og er derfor modtagelige for for tidlig bortskaffelse efter elektroniske applikationer. Det er derfor nødvendigt at skabe bløde og strækbare materialer med elastiske og regenererende egenskaber. Hudlignende elektronik, der kan strække op til 1200 procent belastning med minimal ændring i elektrisk modstand, kan bevare den elektriske ledningsevne. I en ny undersøgelse, Ravi Tutika og kolleger i Mechanical Engineering i USA, udviklet bløde kompositter med adaptive flydende metalmikrostrukturer til en række anvendelser i praksis.

Biologisk inspirerede applikationer i laboratoriet.

Blød elektronik udgør vigtige komponenter på tværs af nye områder, herunder bærbar elektronik for at forhindre vedvarende skade og skabe justerbare systemer, der overlever forskellige anvendelsesområder. Robust elektronik er selvhelbredende og skadetolerant; derfor, forskere sigter mod at opbygge regenerative funktioner for biologisk inspirerede, genanvendelige applikationer i laboratoriet. Forskere har allerede udviklet transient elektronik, der opløses efter et stykke tid med geometrisk mønstrede ledere for strækbarhed. Flydende metalbaseret elektronik kan også repareres manuelt og formes ved hjælp af diskrete flydende metaldråber med skrift/skrivning eller lasersintring. I dette arbejde, Tutika et al. udviklet en flydende metal-elastomer-komposit som en regenerativ blød platform ved at omkonfigurere den flydende metaldråbemikrostruktur. Den regenerative elektronik udviklet i dette arbejde, præsenterer en afstembar platform for elastiske og genanvendelige kredsløb med forskellige applikationer.

Flydende metalkompositter til regenerativ elektronik. (a) En flydende metalkomposit demonstreret som et enestående system til bløde kredsløb med robuste, selvhelbredende ledende spor med belastningsinvariant modstand ved forskellige modstandsniveauer. Uanstrengte og genbrugsprøver viser, at LED'erne fungerer før strækning og efter genbrug (skalabjælker—10 mm). Materialesammensætning ϕ = 60 %, δ = 20%. (b) Skematiske skemaer viser transformationen af flydende metalmikrostruktur for at muliggøre ovenstående egenskaber - belastnings-invariant modstand af et ledende spor skabt gennem prægning for at danne et netværk af flydende metalpartikler. Skadetolerante spor gennem en autonom rekonfiguration af flydende metalpartikelforbindelser til selvhelbredende elektronik. Reformerbare spor aktiveres ved at slette et tidligere dannet flydende metalnetværk og oprette et nyt netværk gennem en opløsningsmiddelsletningsmetode. Multibrug bløde kredsløb gennem opløsning af kompositten, som sletter alle flydende metalnetværk og elektriske spor, og genbrug til brug i nye applikationer. Kredit:Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4

Udvikling af materialet

For at forberede elastomeren, Tutika et al. tilsat polybutadien (PBD) som blødgører for mekaniske og prægede egenskaber. Blødgøringsmidlet udviste flere nøgleegenskaber, herunder en blød, meget formbar, hård mikrostruktur med genanvendelige egenskaber. Holdet brugte en opløsningsproces til at opløse de faste pellets i toluen og tilføjede derefter blødgører til blandingen. De tilføjede også flydende metal til opløsningen for at skabe en blanding af flydende metaldråber i mikronstørrelse. Holdet beregnede derefter den indledende elektriske ledningsevne af opsætningen og fremhævede den elektriske ydeevne af de sammensatte ledere. Den synkrone opsætning tillod dem at justere modstanden og påført belastning. Metoden lettede udviklingen af meget strækbare modstande med en næsten konstant modstand. For at demonstrere deres funktion, Tutika et al. også skabt et LED-kredsløb og sammenkoblede kompositterne med stive elektriske komponenter.

Elektromekaniske egenskaber af de bløde ledende spor. (a) Et plot og skematisk illustrerer prægningsproceduren med feedbackkontrol. (b) Et plot af modstand vs. påført trækbelastning af tre forskellige ledende spor præget til modstande R = 10 Ω, 100 Ω, og 1 kΩ (ϕ = 60 %, δ = 20 %). Indsatsen viser et fotografi af prægede spor med R1 = 100 Ω og R2 = 10 Ω, der bruges som modstande til at ændre LED-lysstyrken (skalalinje—5 mm). (c) Trækmodul og (d) spænding ved brud af en ufyldt elastomer, uberørt (upræget), og præget komposit. (e) Udstrækning af en LED integreret med prægede spor (skalastang—10 mm). (f) En komposit med ϕ = 50% brugt til at skabe et LED-kredsløb for at illustrere robustheden af sporene i drift - bøjning, folde, vridning, og strækning (skalastang—10 mm). Fejlbjælker angiver standardafvigelser for n = 3. Kredit:Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4
Robust betjening og dynamisk selvhelbredelse. (a) Plot viser den robuste cykliske opførsel af kompositten over 1000 cyklusser, hver op til en 100% stamme. (b) Plot af R/R0 vs. tid i en cyklisk test af tre cyklusser ved hvert trin op til en belastning på 1000 % i 100 % belastningsintervaller (skravering angiver de tre cyklusser ved en given belastning), indsat viser den påførte belastningsprofil vs. tid. (c) Hulningstest under spænding viser den dynamiske selvhelbredende evne. Et plot af R/R0 med hensyn til belastning og tid viser reduktionen i modstand, men viser intet tab i elektrisk ledningsevne. Sammensætningen for alle prøver i denne figur er ϕ = 60 %, δ = 10%. Kredit:Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4

Robust funktionalitet af kompositmaterialet

Forskerne brugte derefter materialerne til at udføre ledende spor og til at udføre trækprøver. Resultaterne fremhævede de prægede ledende spor som lovende kandidater til bløde kredsløbsledninger, materialet viste også selvhelbredende egenskaber i barske miljøer på grund af dets robusthed. For at bygge det bløde kredsløb, holdet brugte ledende spor lavet på en flydende metal-elastomer-blødgører kompositplade på forudbestemte steder med 3D-printede forme. Under forsøgene, Tutika et al. viste, hvordan konstruktionerne bibeholdt elektrisk ledningsevne og mekanisk styrke. Den opløselige natur af polymeren i toluen tillod kredsløbet at kunne rekonfigureres til praktiske anvendelser med LED-lyskilder. Opsætningen gav et vigtigt træk ved det ikke-destruktive kompositsystem. Materialets termoplasticitet kombineret med det metalliske materiales flydende natur tillod også Tutika et al. for effektivt at genbruge og genbruge kompositterne. De genanvendte prøver var elektrisk isolerende, og de kan genbruges som kompositter for at skabe elektriske kredsløb. Holdet viste denne evne ved at skabe funktionelle LED-kredsløb for at indikere pålideligheden af elektriske forbindelser i det uberørte, genanvendelige materialeprøver.

Rekonfiguration og genbrug af flydende metal blød komposit. (a) Skema og fotografier, der viser rekonfigurationsprocessen af et ledende spor ved opløsningsmiddelsletning i en komposit med ϕ = 60 %, δ =20 %, skala barer—10 mm. (b) Spændings-belastningskurver for det uberørte, og genbrugsprøver, der viser et højere stressniveau for den uberørte. (c) Optiske mikrofotografier viser ændringen i flydende metaldråbemikrostruktur med genanvendelse, og LED'erne viser intet tab af elektrisk funktionalitet i en komposit med ϕ = 60 %, δ = 10 % (skalabjælke for mikrofotografier—100 μm og billeder—10 mm). Kredit:Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4

Outlook

På denne måde Ravi Tutika og kolleger udviklede selvhelbredende og genanvendelig blød elektronik, der kan strækkes til høje belastninger for robuste funktionaliteter på tværs af nye områder af blød og strækbar elektronik. Forskningen er relevant for bløde funktionelle materialer, hvor et enkelt multifunktionelt kompositsystem kan opretholde egenskaber for blød elektronik, inklusive robust strækbarhed, helbredende kapacitet og genanvendelighed. Under udviklingen af materialekonstruktionerne, holdet brugte unikke væskefaseindeslutninger til at omkonfigurere materialets mikrostruktur og danne robuste flydende metalnetværk for at bygge modstandsdygtig og regenerativ elektronik. Materialet er også anvendeligt til forskellige funktionaliteter, giver materialeforskere mulighed for at reducere elektronisk affald sammen med forbedret genanvendelighed.

Sidste artikelMaskinlæring til solenergi er en supercomputer dræber

Næste artikelSætter guld- og platinstandarder, hvor få har gået før