Skapar robusta ledande spår. (a) Schema för att illustrera präglingsprocessen, där diskreta isolerande droppar av flytande metall är selektivt präglade för att bilda ett anslutet ledande nätverk. (b) Optisk mikrofotografi av en präglad region visar den distresserade kompositen, som är elektriskt ledande, skalstång—250 μm. (c) Präglat mönster i form av bokstäverna L och M med intrikata linjer och anslutningar (skala streck—10 mm). (d) En kurva över R/R0 vs. applicerad töjning på ett ledande spår (ϕ = 60 %, δ = 10 %). Den röda kurvan visar den förväntade R/R0-ökningen med pålagd töjning för en metallisk ledare, medan det präglade ledande spåret av flytande metall (blå kurva) visar konstant eller en minskning av R/R0 (0,56 vid 1200 % töjning jämfört med 169 för förutsägelsen). Insättningen visar bilder av ett osmält prov och ett prov med 1200 % töjning (skalastapel—50 mm). Kredit:Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4
Mjuk elektronik efterfrågas alltmer för olika applikationer, men de saknar styva kapslingar och är därför känsliga för förtida kassering efter elektroniska applikationer. Det är därför nödvändigt att skapa mjuka och töjbara material med fjädrande och regenerativa egenskaper. Hudliknande elektronik som kan sträcka sig upp till 1200 procent med minimal förändring av elektriskt motstånd kan behålla den elektriska ledningsförmågan. I en ny studie, Ravi Tutika och kollegor inom maskinteknik i USA, utvecklat mjuka kompositer med adaptiva flytande metallmikrostrukturer för en rad tillämpningar i praktiken.
Biologiskt inspirerade applikationer i labbet.
Mjuk elektronik utgör viktiga komponenter inom framväxande områden inklusive bärbar elektronik för att förhindra bestående skador och skapa avstämbara system som överlever olika applikationsutrymmen. Robust elektronik är självläkande och skadetolerant; därför, forskare syftar till att bygga regenerativa funktioner för biologiskt inspirerade, återvinningsbara applikationer i labbet. Forskare har redan utvecklat transientelektronik som löses upp efter en tid med geometriskt mönstrade ledare för töjbarhet. Flytande metallbaserad elektronik kan också repareras manuellt och formas med hjälp av diskreta flytande metalldroppar med skrift/skrivning eller lasersintring. I det här arbetet, Tutika et al. utvecklat en flytande metall-elastomer-komposit som en regenerativ mjuk plattform genom att omkonfigurera mikrostrukturen av flytande metalldroppar. Den regenerativa elektroniken som utvecklats i detta arbete, presenterar en avstämbar plattform för fjädrande och återvinningsbara kretsar med olika tillämpningar.
Flytande metallkompositer för regenerativ elektronik. (a) En flytande metallkomposit demonstrerad som ett unikt system för mjuka kretsar med robusta, självläkande ledande spår med töjningsinvariant motstånd vid olika motståndsnivåer. Oansträngda och återvunna prover visar att lysdioderna fungerar före sträckning och efter återvinning (skalstaplar—10 mm). Materialsammansättning ϕ = 60%, δ = 20%. (b) Schema visar omvandlingen av flytande metallmikrostruktur för att möjliggöra ovanstående möjligheter - töjningsinvariant motstånd för ett ledande spår skapat genom prägling för att bilda ett nätverk av flytande metallpartiklar. Skadetoleranta spår genom en autonom omkonfiguration av flytande metallpartikelanslutningar för självläkande elektronik. Reformerbara spår möjliggörs genom att radera ett tidigare bildat nätverk av flytande metall och skapa ett nytt nätverk genom en lösningsmedelsradering. Mjuka kretsar för flera användningsområden genom att lösa upp kompositen, som raderar alla flytande metallnätverk och elektriska spår, och återvinning för användning i nya tillämpningar. Kredit:Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4 
För att förbereda elastomeren, Tutika et al. tillsatt polybutadien (PBD) som mjukgörare för mekaniska egenskaper och präglingsegenskaper. Mjukgöraren uppvisade flera nyckelegenskaper inklusive en mjuk, mycket formbar, tuff mikrostruktur med återvinningsbara egenskaper. Teamet använde en lösningsbearbetningsmetod för att lösa upp de fasta pellets i toluen och tillsatte sedan mjukgörare i blandningen. De tillsatte också flytande metall till lösningen för att skapa en sammanslagning av flytande metalldroppar i mikronstorlek. Teamet beräknade sedan den initiala elektriska ledningsförmågan för installationen och lyfte fram den elektriska prestandan hos kompositledarna. Den synkrona inställningen tillät dem att justera motståndet och applicerad belastning. Metoden underlättade utvecklingen av mycket töjbara motstånd med nästan konstant motstånd. För att visa deras funktion, Tutika et al. skapade också en LED-krets och kopplade samman kompositerna med stela elektriska komponenter.
Elektromekaniska egenskaper hos de mjuka ledande spåren. (a) En plot och schematisk illustrerar präglingsproceduren med återkopplingskontroll. (b) En kurva över resistans kontra applicerad dragpåkänning av tre olika ledande spår präglade till resistanser R = 10 Ω, 100 Ω, och 1 kΩ (ϕ = 60 %, δ = 20 %). Insättningen visar ett fotografi av präglade spår med R1 = 100 Ω och R2 = 10 Ω som används som motstånd för att ändra LED-ljusstyrka (skalstreck—5 mm). (c) Dragmodul och (d) töjning vid brott av en ofylld elastomer, orörd (opräglad), och präglad komposit. (e) Sträckning av en lysdiod integrerad med präglade spår (skalstång—10 mm). (f) En komposit med ϕ = 50 % som används för att skapa en LED-krets för att illustrera robustheten hos spåren under drift—böjning, hopfällbar, vridning, och sträckning (skalstång—10 mm). Felstaplar anger standardavvikelser för n = 3. Kredit:Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4
Robust drift och dynamisk självläkning. (a) Plot visar det robusta cykliska beteendet hos kompositen över 1000 cykler, var och en upp till en 100% stam. (b) Rita av R/R0 vs. tid i ett cykliskt test av tre cykler vid varje steg upp till en töjning på 1000 % i 100 % töjningssteg (skuggning indikerar de tre cyklerna vid en given töjning), infällt visar den applicerade töjningsprofilen kontra tid. (c) Hålslagstest under spänning visar den dynamiska självläkande förmågan. Ett diagram av R/R0 med avseende på töjning och tid visar minskningen av motstånd, men visar ingen förlust i elektrisk ledningsförmåga. Sammansättningen för alla prover i denna figur är ϕ = 60 %, δ = 10%. Kredit:Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4
Robust funktionalitet hos kompositmaterialet
Forskarna använde sedan materialen för att utföra ledande spår och för att utföra dragprov. Resultaten framhävde de präglade ledande spåren som lovande kandidater för mjukkretsledningar, materialet visade också självläkande egenskaper i tuffa miljöer på grund av sin robusthet. För att bygga den mjuka kretsen, teamet använde ledande spår gjorda på ett flytande metall-elastomer-mjukgörare kompositark på förutbestämda platser med 3D-tryckta formar. Under experimenten, Tutika et al. visade hur konstruktionerna bibehöll elektrisk ledningsförmåga och mekanisk styrka. Den lösliga naturen hos polymeren i toluen gjorde att kretsen kunde omkonfigureras för praktiska tillämpningar med LED-ljuskällor. Installationen gav en viktig egenskap hos det oförstörande kompositsystemet. Termoplasticiteten hos materialet i kombination med det metalliska materialets flytande natur gjorde det också möjligt för Tutika et al. för att effektivt återvinna och återanvända kompositerna. De återvunna proverna var elektriskt isolerande, och de kan återvinnas som kompositer för att skapa elektriska kretsar. Teamet visade denna förmåga genom att skapa funktionella LED-kretsar för att indikera tillförlitligheten hos elektriska anslutningar i det orörda, återvinningsbara materialprover.
Omkonfigurering och återvinning av flytande metall, mjuk komposit. (a) Schema och fotografier som visar omkonfigureringsprocessen för ett ledande spår genom lösningsmedelsradering i en komposit med ϕ = 60 %, δ =20 %, skalstänger—10 mm. (b) Spännings-töjningskurvor för det orörda, och återvunna prover som visar en högre stressnivå för det orörda. (c) Optiska mikrofotografier visar förändringen i mikrostrukturen för flytande metalldroppar med återvinning och lysdioderna visar ingen förlust av elektrisk funktionalitet i en komposit med ϕ = 60 %, δ = 10 % (skalstapel för mikrofotografier—100 μm och bilder—10 mm). Kredit:Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4
Syn
På det här sättet, Ravi Tutika och kollegor utvecklade självläkande och återvinningsbar mjuk elektronik som kan töjas ut till höga belastningar för robusta funktionaliteter inom framväxande områden av mjuk och töjbar elektronik. Forskningen är relevant för mjuka funktionsmaterial, där ett enda multifunktionellt kompositsystem kan bibehålla egenskaper för mjuk elektronik, inklusive robust töjbarhet, läkningsförmåga och återvinningsbarhet. Under utvecklingen av materialkonstruktionerna, teamet använde unika flytande fasinneslutningar för att omkonfigurera materialets mikrostruktur och bilda robusta flytande metallnätverk för att bygga elastisk och regenerativ elektronik. Materialet kan även användas för olika funktioner, gör det möjligt för materialforskare att minska elektroniskt avfall tillsammans med förbättrad återvinningsbarhet.
© 2021 Science X Network
