Föreställ dig en flexibel digital skärm som läker sig själv när den spricker, eller en ljusemitterande robot som lokaliserar överlevande i mörker, farliga miljöer eller utför jordbruks- och rymdutforskningsuppgifter. Ett nytt material utvecklat av ett team av NUS-forskare skulle kunna omsätta dessa idéer till verklighet.

Det nya töjbara materialet, när den används i ljusemitterande kondensatorenheter, möjliggör mycket synlig belysning vid mycket lägre driftspänningar, och är också motståndskraftig mot skador på grund av dess självläkande egenskaper.

Denna innovation, kallas HELIOS (som står för Healable, Lågfältsbelysande optoelektronisk sträckbar) enhet, uppnåddes av biträdande professor Benjamin Tee och hans team från NUS Institute for Health Innovation &Technology och NUS Materials Science and Engineering. Resultaten av forskningen rapporterades först i Naturmaterial den 16 december 2019.

Hållbar, lågeffektsmaterial för nästa generations elektroniska wearables och mjuka robotar

"Konventionella töjbara optoelektroniska material kräver hög spänning och höga frekvenser för att uppnå synlig ljusstyrka, vilket begränsar portabiliteten och livslängden. Sådana material är också svåra att applicera säkert och tyst på människa-maskin-gränssnitt, "förklarade Asst Prof Tee, som också kommer från NUS Elektro- och datateknik, N.1 Institute for Health och programmet Hybrid Integrated Flexible Electronic Systems.

För att övervinna dessa utmaningar, teamet på fem NUS-forskare började studera och experimentera med möjliga lösningar 2018, och utvecklade så småningom HELIOS efter ett år.

För att sänka de elektroniska driftsförhållandena för töjbara optoelektroniska material, teamet utvecklade ett material som har mycket hög dielektrisk permittivitet och självläkande egenskaper. Materialet är ett transparent, elastisk gummiduk som består av en unik blandning av fluorelastomer och ytaktivt ämne. Den höga dielektriska permittiviteten gör att den kan lagra fler elektroniska laddningar vid lägre spänningar, möjliggör en högre ljusstyrka när den används i en ljusemitterande kondensatorenhet.

Till skillnad från befintliga töjbara ljusemitterande kondensatorer, HELIOS-aktiverade enheter kan slås på vid spänningar som är fyra gånger lägre, och uppnå belysning som är mer än 20 gånger ljusare. Den uppnådde också en belysning på 1460 cd/m ² vid 2,5 V/µm, den ljusaste som uppnåtts av töjbara ljusemitterande kondensatorer hittills, och är nu jämförbar med ljusstyrkan på mobiltelefonskärmar. På grund av den låga strömförbrukningen, HELIOS kan uppnå en längre livslängd, användas säkert i gränssnitt mellan människa och maskin, och drivs trådlöst för att förbättra portabiliteten.

HELIOS är också resistent mot tårar och punkteringar. De reversibla bindningarna mellan materialets molekyler kan brytas och reformeras, därigenom tillåter materialet att självläka under omgivande miljöförhållanden.

Beskriv den potentiella effekten av HELIOS, Asst Prof Tee sa, "Ljus är ett viktigt sätt att kommunicera mellan människor och maskiner. När människor blir alltmer beroende av maskiner och robotar, det finns ett enormt värde i att använda HELIOS för att skapa "oövervinnliga" ljusavgivande enheter eller displayer som inte bara är hållbara utan också energieffektiva. Detta skulle kunna generera långsiktiga kostnadsbesparingar för tillverkare och konsumenter, minska elektroniskt avfall och energiförbrukning, och i sin tur, gör det möjligt för avancerad bildskärmsteknik att bli både plånbok och miljövänlig."

Till exempel, HELIOS kan användas för att tillverka långvariga trådlösa skärmar som är skadesäkra. Den kan också fungera som en upplysande elektronisk hud för autonoma mjuka robotar som ska användas för smart inomhusjordbruk, rymduppdrag eller katastrofområden. Med låg effekt, självreparerande upplysande hud ger säkerhetsbelysning för roboten att manövrera i mörker samtidigt som den förblir i drift under längre perioder.

NUS -teamet har ansökt om patent på det nya materialet, och vill skala upp tekniken för specialförpackningar, säkerhetsljus, bärbara enheter, fordons- och robotapplikationer.