At strække grænserne for elastiske ledere

En nyudviklet printbar elastisk leder bevarer høj ledningsevne, selv når den strækkes til så meget som fem gange dens oprindelige længde, siger et japansk hold af videnskabsmænd. Det nye materiale, fremstillet i pasta-lignende blækform, kan printes i forskellige mønstre på tekstiler og gummioverflader som strækbare ledninger til bærbare enheder med sensorer, samt give menneskelige hudlignende funktioner til robottens ydre.

Udviklingen af ​​bærbare enheder, såsom dem, der overvåger en persons helbred eller fysiske præstationer, som puls eller muskelaktivitet, er i øjeblikket i gang med nogle produkter, der allerede er på markedet. I øvrigt, med fremkomsten af ​​robotter inden for områder som sundhedspleje og detailhandel, ud over fremstilling, fremtidige anvendelser for følsomt elastisk ledende materiale, der kan modstå høj belastning fra strækning, vil sandsynligvis stige ved feberstigning.

"Vi så den stigende efterspørgsel efter bærbare enheder og robotter, " siger professor Takao Someya ved University of Tokyos Graduate School of Engineering, der overvågede den aktuelle undersøgelse. "Vi følte, at det var meget vigtigt at skabe trykbare elastiske ledere for at hjælpe med at opfylde behovet og realisere udviklingen af ​​produkterne, " tilføjer han.

For at opnå en høj grad af strækbarhed og ledningsevne, forskerne blandede fire komponenter for at skabe deres elastiske leder. De fandt ud af, at deres ledende pasta bestående af mikrometerstore sølv (Ag) flager, fluorgummi, fluor-overfladeaktivt stof - almindeligvis kendt som et stof, der reducerer overfladespændingen i væske - og organisk opløsningsmiddel til at opløse fluorgummiet overgik markant den elastiske leder, de tidligere havde udviklet i 2015.

Uden at strække, trykte spor af den nye dirigent optaget 4, 972 siemens pr. centimeter (S/cm), høj ledningsevne ved hjælp af den fælles målestok til vurdering af elektrisk ledningsevne. Når det strækkes med 200 procent, eller til tre gange dens oprindelige længde, ledningsevne målt 1, 070 S/cm, hvilket er næsten seks gange værdien af ​​den tidligere leder (192 S/cm). Selv når det strækkes med 400 procent, eller til fem gange dens oprindelige længde, den nye leder bibeholdt en høj ledningsevne på 935 S/cm, det højeste niveau registreret for denne mængde udstrækning.

Forstørrelse med et scanningselektronmikroskop (SEM) og transmissionselektronmikroskop (TEM) viste, at lederens høje ydeevne skyldtes selvdannelsen af ​​sølv (Ag) nanopartikler - en tusindedel af størrelsen af ​​Ag-flagerne og spredt ensartet mellem flagerne i fluorgummiet - efter at den ledende kompositpasta var printet og opvarmet. "Vi forventede ikke dannelsen af ​​Ag-nanopartikler, " kommenterer Someya om deres overraskende opdagelse.

Desuden, forskerne fandt ud af, at ved at justere variabler som molekylvægten af ​​fluorgummi, de kunne kontrollere fordelingen og populationen af ​​nanopartikler, mens tilstedeværelsen af ​​overfladeaktivt stof og opvarmning accelererede deres dannelse og påvirkede deres størrelse.

For at demonstrere gennemførligheden af ​​konduktørene, forskerne fremstillede fuldt printede strækbare tryk- og temperatursensorer – der kan mærke svag kraft og måle varme tæt på krops- og rumtemperaturer – forbundet med de printbare elastiske ledere på tekstiler. Sensorerne, som let kan installeres ved at laminere på overflader ved varmpresning med varme og tryk, tog præcise mål, selv når de blev strakt med 250 procent. Dette er nok til at rumme fleksible områder med høj stress såsom albuer og knæ på formbare, figursyet sportstøj eller led på robotarme, der ofte er designet til at overgå menneskelige evner og dermed udsættes for større belastning.

Det nye materiale, som er holdbart og velegnet til højkapacitetsudskrivningsmetoder som stencil- eller serigrafi, der kan dække store overflader, peger på nem installation, og dets egenskaber ved at danne Ag-nanopartikler (som er en brøkdel af prisen på Ag-flager), når de printes, giver et økonomisk alternativ til at realisere en bred vifte af anvendelser for wearables, robotteknologi og deformerbare elektroniske enheder. Holdet undersøger nu erstatninger for Ag-flager for yderligere at reducere omkostningerne, mens de også kigger på andre polymerer, som ikke-fluorgummi, og forskellige kombinationer af materialer og processer til fremstilling af elastiske ledere med tilsvarende høj ydeevne.