Netværket udvides til 256 gange dets oprindelige størrelse for at bygge bro mellem mikro- og makroverdenen

(PhysOrg.com)- Nu hvor forskere har udviklet et mangfoldigt sortiment af enheder og materialer i nano- og mikrostørrelse, en af ​​de største udfordringer er at finde en praktisk måde at indarbejde dem i makroskala systemer. For eksempel, små sensorer, aktuatorer, og elektroniske apparater kan kun leve op til deres fulde potentiale, når de kan udnyttes i store systemer i hverdagen. I en ny undersøgelse, forskere har udviklet en effektiv måde at bygge bro mellem mikro- og makroskalaer ved at designe et netværk af mikrokabler og mikronoder, der kan udvides fra et par kvadratcentimeter til en kvadratmeter ved lave belastningsniveauer i materialet.

Giulia Lanzara, Janmin Feng, og Fu-Kuo Chang fra Institut for Aeronautik og Astronautik ved Stanford University har offentliggjort deres undersøgelse i et nyligt nummer af Smarte materialer og strukturer .

Som forskerne forklarer i deres undersøgelse, inkorporering af miniaturiserede elektroniske komponenter i store objekter er hidtil ikke blevet opnået med nuværende teknologier til overkommelige omkostninger. Den traditionelle metode involverer normalt først at fremstille nano/mikrokomponenterne og derefter samle og tilslutte dem på makro-skala. Da der kan være tusinder af komponenter at samle, denne metode bliver hurtigt dyr og tidskrævende. Alternative tilgange har omfattet fremstilling af mikrokomponenterne på strækbare underlag, men indtil videre har intet design tålt store belastninger og strækninger. I deres undersøgelse, Stanford -forskerne bruger også et strækbart substrat, men deres design er meget udvideligt, muliggør todimensionel strækning på mere end 25, 600%.

"En af de store drømme inden for videnskab og teknologi er at udvikle 'smarte' materialer/strukturer eller enheder, der kan ligne de unikke multiple funktioner i levende systemer, ”Fortalte Lanzara PhysOrg.com . “Derfor er den største udfordring den ikke-invasive integration af et distribueret udvalg af nano/mikroenheder i makroskopiske materialer. Ideen, som jeg foreslog at overvinde dette problem, er at bygge en række nano/mikroenheder på et ekspanderbart og fleksibelt substrat, mønstret i mikroskalaen, og som ligner, engang udvidet, et kæmpe og ultralet edderkoppespind. Internettet kan derefter integreres for at lave 'intelligente' materialer uden risiko for at påvirke vægten, mekanisk ydeevne og pålidelighed af hostingmaterialerne. Den foreslåede multi-skala metode repræsenterer det første skridt mod realiseringen af ​​virkelig funktionelle materialer, der ligner levende systemer. ”

Blandt deres eksperimenter, forskerne konstruerede et netværk, der består af 5, 041 mikronoder med diametre på ca. 200 mikrometer (disse kan rumme små sensorer, aktuatorer, osv.), der er forbundet i et netlignende mønster af mikrokabler. Nøglen til det udvidelige design er at arrangere de forududvidede mikrokabler i sløjfer og segmenter - hovedsageligt komprimering af så lang en ledning som muligt mellem knudepunkter på en sådan måde, at ekspansion ved lave belastningsniveauer tillades. Ved at belægge mikrotrådene med et aluminiumslag, forskerne kunne sætte dem i stand til at fungere som elektriske forbindelser mellem knudepunkterne for forskellige elektroniske enheder. Mikronoder placeret i periferien af ​​netværket kunne derefter videresende elektriske signaler til og ud af netværket.

Fabrikationen og udvidelsen af ​​netværket er ny, men relativt ligetil. Forskerne mønstrede først de funktionelle mikrokabler og mikronoder (i den forududvidede konfiguration) på en Kapton-film med en diameter på 10 centimeter, som er et polymermateriale, der også bruges som isolering til rumdragter og elektriske ledninger i rumfærger. Unødvendigt materiale blev derefter fjernet fra Kapton -filmen for at danne et netværk af mikronoder, der er forbundet med mikrokabler.

Polymernetværket blev derefter strakt af en håndstyret strækmaskine, først i den ene retning og derefter i den anden. Efterhånden som netværket udvides, mikrotrådsløjferne spredes fra hinanden som et harmonika (men knuderne strækker sig ikke). Ved hjælp af et mikroskop, forskerne inspicerede det udvidede netværk på en kvadratmeter og fandt ud af, at mikrokablerne og mikronoderne stadig var mekanisk og elektrisk forsvarlige. Mikronoderne blev også præcist placeret på foruddefinerede steder efter ekspansion.

”Den tilgang, jeg foreslog, er konceptuelt enkel, men ingen tænkte på det før, ”Sagde Lanzara. "I stedet for at forsøge at 'strække' et materiale til at dække store områder og kun stole på materialets fysiske egenskaber, hvorfor ikke bare 'fjerne unødvendigt materiale' fra en polymerfilm og 'konstruere' det resterende materiale i form af foldede mikrokabler og mikronoder? På denne måde, ved blot at folde mikroovnene ud, det konstruerede materiale kan udvides til flere størrelsesordener af sin oprindelige størrelse ved meget lave belastningsværdier. Dette design fører til todimensionale strækforhold, der går ud over strækningsevnen for ethvert materiale, man kender i dag. ”

Samlet set, det udvidede netværk er dybest set en makro-version af det centimeterstore netværk, med begge lavet af de samme mikrostørrelseskomponenter. Ud over, hele det store netværk kunne rulles sammen til forskellige 3D -former på grund af dets høje fleksibilitet og kunne let integreres i materialer af forskellige stivheder, såsom fleksible polymerer og carbonfiberkompositter.

Som forskerne forklarer, det meget udvidelige netværk kan tjene som en omkostningseffektiv måde at integrere en række med høj densitet af nano/mikroskalaenheder på makro-niveau. Selvom den primære applikation til dette netværk kan være til sensorer, der spænder over store områder, tilgangen kunne også have applikationer i bærbart elektronisk udstyr, papirlignende displays, intelligente elektroniske tekstiler, og mere.

“Dette værk kan bestemt bane vejen til rummet, civil, militær, medicinske og biomedicinske applikationer samt til udvikling af produkter, der har potentiale til at forbedre komforten og kvaliteten af ​​vores livsstil, ”Sagde Lanzara. "For eksempel, det udvidede web kan bruges til at realisere smarte tekstiler til tøj eller til medicinsk udstyr, at realisere fremtidens morphing -materialer, eller multifunktionel, usædvanligt holdbar, pålidelige kompositter til sikre og holdbare fly samt til at realisere menneskeskabte roboters kunstige hud. Fremstilling af netværket i mikroskala og udvidelse til makroskala i et enkelt trin giver mulighed for en drastisk reduktion af integrationsomkostningerne i materialer eller strukturer, dermed, ovennævnte applikationer kan endelig realiseres. ”

Copyright 2010 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.