Ingeniører udvikler nyt magnetisk blæk til at printe selvhelbredende enheder, der heler på rekordtid

Et team af ingeniører ved University of California San Diego har udviklet en magnetisk blæk, der kan bruges til at lave selvhelbredende batterier, elektrokemiske sensorer og bærbare, tekstilbaserede elektriske kredsløb.

Nøgleingrediensen for blækket er mikropartikler orienteret i en bestemt konfiguration af et magnetfelt. På grund af den måde de er orienteret på, partikler på begge sider af en tåre er magnetisk tiltrukket af hinanden, hvilket får en enhed, der er trykt med blækket, til at hele sig selv. Enhederne reparerer rifter så brede som 3 millimeter - en rekord inden for selvhelbredende systemer.

Forskere detaljerer deres resultater i 2. november-udgaven af Videnskabens fremskridt .

"Vores arbejde rummer et betydeligt løfte om udbredte praktiske anvendelser for langtidsholdbare trykte elektroniske enheder, "sagde Joseph Wang, direktør for Center for Wearable Sensors og formand for nanoingeniørafdelingen ved UC San Diego.

Eksisterende selvhelbredende materialer kræver en ekstern trigger for at sætte gang i helingsprocessen. De tager også alt mellem et par minutter til flere dage at arbejde. Derimod systemet udviklet af Wang og kolleger kræver ikke nogen ekstern katalysator for at virke. Skader repareres inden for ca. 50 millisekunder (0,05 sekunder).

Ingeniører brugte blækket til at udskrive batterier, elektrokemiske sensorer og bærbare, tekstilbaserede elektriske kredsløb (se video). De gik derefter i gang med at beskadige disse enheder ved at skære dem og trække dem fra hinanden for at skabe stadig større huller. Forskere har gentagne gange beskadiget enhederne ni gange på samme sted. De påførte også skade fire forskellige steder på den samme enhed. Enhederne helede stadig sig selv og genfandt deres funktion, mens de mistede et minimum af ledningsevne.

For eksempel, nanoingeniører printede et selvhelbredende kredsløb på ærmet af en T-shirt og forbandt det med et LED-lys og et møntbatteri. Forskerne skar derefter kredsløbet og stoffet, det blev trykt på. På det tidspunkt, LED'en slukket. Men inden for et par sekunder begyndte den at tænde igen, da de to sider af kredsløbet kom sammen igen og helede sig selv, genoprette ledningsevnen.

"Vi ønskede at udvikle et smart system med imponerende selvhelbredende evner med let at finde, billige materialer, " sagde Amay Bandodkar, en af ​​avisens første forfattere, der fik sin ph.d. i Wangs laboratorium og er nu postdoc-forsker ved Northwestern University.

Fremstilling

Wangs forskningsgruppe er førende inden for printede bærbare sensorer, så hans hold af nanoingeniører vendte sig naturligt til blæk som udgangspunkt for deres selvhelbredende system.

Ingeniører fyldte blækket med mikropartikler lavet af en type magnet, der almindeligvis bruges i forskning og lavet af neodym, en blød, sølvfarvet metal. Partiklernes magnetfelt er meget større end deres individuelle størrelse. Dette er nøglen til blækkets selvhelbredende egenskaber, fordi tiltrækningen mellem partiklerne fører til lukning af tårer, der er millimeter brede.

Partiklerne leder også elektricitet og er billige. Men de har dårlige elektrokemiske egenskaber, gør dem vanskelige at bruge i de elektrokemiske enheder, såsom sensorer, på egen hånd. For at afhjælpe dette problem, forskere tilføjede kulsort til blækket, et materiale, der almindeligvis bruges til at fremstille batterier og sensorer.

Men forskere indså, at mikropartiklernes magnetiske felter, når de er i deres naturlige konfiguration, annulleret hinanden, som berøvede dem deres helbredende egenskaber. Ingeniører løste dette ved at printe blækket i nærvær af et eksternt magnetfelt, som sikrede, at partiklerne orienterede sig til at opføre sig som en permanent magnet med to modsatte poler for enden af ​​hver printet enhed. Når enheden skæres i to, de to beskadigede stykker fungerer som forskellige magneter, der tiltrækker hinanden og selvhelbredende.

I fremtiden, ingeniører forestiller sig at lave forskellige blæk med forskellige ingredienser til en bred vifte af applikationer. Ud over, de planlægger at udvikle computersimuleringer for at teste forskellige selvhelbredende blækopskrifter i silico, før de afprøver dem i laboratoriet.