Tillverkningsprocessen och mekanismen för självläkning. Syntesprocess av PAA/NaCl -jonledarskiktet i (a) och PU/ZnS/BN -kompositfosforskiktet i (b), där de optiska fotografierna av de erhållna skikten visas. c-i) Schematisk princip och struktur för den självläkbara EL-enheten. c-ii) Ekvivalent krets för en EL-enhet, där C representerar motsvarande kondensator och R representerar motståndet hos den joniska ledaren. d-i) Klipp-läkningsprocessen för den tillverkade självläkbara EL-enheten. d-ii) Schematisk av den skurna regionen, som illustrerar den självläkbara mekanismen och konfigurationen av varje lager. e) SEM -bild av det inledande PU -fosforskiktet från botten till toppvy. f) SEM -bild av läkt PU -fosforskikt; det läkta såret representerades av den röda rektangeln. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
I en färsk studie, materialforskare Guojin Liang och hans medarbetare vid Institutionen för materialvetenskap och teknik, City University of Hong Kong, har utvecklat en självläkning, elektroluminescerande (EL) enhet som kan reparera eller läka sig själv efter skada. Inspirerad av biologiska systems självläkande förmåga, den nya processen banar väg för en rad nya elektroniska applikationer. Medan EL -enheter vanligtvis används i digitala skärmar, bakgrundsbelysning för kontrollpaneler och bärbar elektronik, de är benägna att skada. Bräckligheten kan begränsa enhetens arbetsliv, hållbarhet och tillförlitlighet för långsiktiga elektroniska applikationer.
Den första självläkande EL-enheten som utvecklades i studien konstruerades med hjälp av en modifierad självglödgande polyakrylsyrahydrogel för elektroder, kopplad till självläkande polyuretan som fosforvärd för elektrisk isolering. Forskarna visade att de fysiokemiska egenskaperna för enhetens restaurering kan bibehållas även efter att ha upplevt katastrofala skador. Sådana EL-system kommer att ha nya och spännande nästa generations applikationer som läkande hydrogeler och dielektriska polymerer i bärbara enheter. Arbetet publiceras nu den Ljus:Vetenskap och applikationer .
Den självlysande EL-enhetens självlysande prestanda återhämtades med hög läkningseffekt i studien. Konceptet kan överföras till läkning mellan enheter för att förverkliga en konceptuell LEGO-liknande monteringsprocess i ljusemitterande enheter. Genom design- och konstruktionsprocessen för självläkande EL-enheter, forskarna syftade till att återuppliva sina prestanda samtidigt som de förlängde sin livstid, även efter att materialet skurits på mitten. Liang et al. förvänta dig att sådana självläkande EL-enheter utvecklade med hjälp av joniskt ledande helande hydrogeler och dielektriska polymerer ska fungera som ett modellsystem för elektroluminescerande applikationer.
Elektroluminescerande (EL) enheter har tillämpningar i mångsidiga system och discipliner inklusive mjuk robotik, som manöverdon för konstgjord hud; inom flexibel elektronik, bärbar elektronik, digitala displayer och som sensorer. Framsteg inom materialvetenskap har lett till utsökt designade och utvecklade multifunktionella EL-enheter som använder transparenta, ledande material som integrerar biologiskt inspirerad mjuk robotik och optimerade enhetskonfigurationer. Exempel inkluderar:
Även om maskintekniska processer har utvecklat robusta enheter med robusta material, för enhetskonfigurationer som minimerar belastning, om belastningen överskrider gränsen som tål försämring av enhetens prestanda kan inte undvikas. Underhåll och utbyte av sådana felaktiga komponenter i integrerade, multifunktionella elektroniska system är antingen svåråtkomliga eller dyra, och är fortfarande en viktig fråga. Att utveckla en effektiv strategi kan förlänga livslängden för EL -enheter avsevärt.
Kännetecknar EL -enheten. a – c) Bilder av de självläkande processerna i EL-komponentlagren och anordningen (PAA-lager-a, PU -kompositskikt — b, och EL -enhet — c). I dessa processer, i) visar initialtillstånden, ii) visar nedskärningstillstånden, iii) visar de läkta tillstånden, iv) visar de läkta tillstånden genom att hänga en vikt, och den röda rektangeln betecknar de läkta såren. Vikten är 10 g massa. d) Jonisk konduktivitet för PAA -ledare efter flera skärläkningstider. e) Dielektrisk kapacitans för PU -fosforskikt efter flera skärläkningstider. f) EL -enhetens mekaniska styrka efter flera skärläkningstider. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
I studien, självläkande material designades och utvecklades med inneboende eller yttre helande egenskaper, liknande tidigare experiment. De nuvarande funktionerna tillåter autonom skada reparation, även under yttre stimuli som pH, ljus, elektriska eller magnetiska fält efter omfattande skador. Läkande egenskaper finns på materialets nivå, men förbättringar för att förbättra enhetens livslängd och tillförlitlighet pågår. En majoritet av tidigare självläkande föreställningar var också endast tillämpliga på nivån för ett enda beståndsdelskikt i en flerlagers EL-enhet, där de återstående lagren reparerades manuellt via små lappar.
För att hantera befintliga begränsningar, Liang et al. antog modifierade självläkande polyakrylsyra (PAA) hydrogeler innehållande natriumklorid (NaCl) som en jonisk elektrod. Sedan inkluderade de självläkande polyuretan (PU) -innehållande zinksulfid (ZnS) -partiklar som ett fosforkompositskikt för att demonstrera den första medfödda optimerade självläkande EL-enheten i studien. Vid sidan av frakturer skadas läkning, Läkning mellan enheter återställdes också för första gången för att möjliggöra LEGO-liknande montering på EL-enhetens nivå. Studien förenklade komplexa och kostsamma processer för reparation och utbyte i integrerade elektroniska system.
Självläkande EL-enhet. Forskarna demonstrerar den självläkande EL-enheten genom det ursprungliga arbetsläget och efter nedskärningen, helande och återupplivat arbetsläge. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
De polymerbaserade hydrogelerna (PAA-skikt och PU-kompositskiktet) utvecklades på molekylär nivå för att erhålla den önskade fysikalisk-kemiska karaktären. En hydrogel konstruerades för att samtidigt inse de önskade egenskaperna med transparens i synligt ljus, jonisk konduktivitet och självläkning. PAA -hydrogeln innehöll likformigt fördelat NaCl (4M) för att uppnå 96,5 procent genomsnittlig transmittans för transparens inom området för synligt ljus och en hög jonisk konduktivitet på 2,1 S/m. Karboxylgrupperna på PAA-skelettet överförde självläkande förmåga till hydrogeln via vätebindning.
Den elektriskt isolerande, ljusemitterande och självläkande fosforkompositskikt innehöll PU modifierat med karboxylgrupper för att binda fosforpartiklar (ZnS). Forskarna använde bor-nitrid (BN) nanosheets för att öka dielektrisk permittivitet och förbättra luminescensen av kompositskiktet. Den slutliga EL-enheten omfattade en konfiguration med tre lager. Materialen bedömdes med hjälp av svepelektronmikroskopi (SEM) efter tillverkning och efter skadan/läkningssvaret. Den fysikalisk-kemiska karaktären hos det flerskiktade materialet återställdes efter skador.
Kännetecknar det inledande läkningssvaret:ljusemitterande prestanda hos den självläkta EL-enheten efter skärläkningsprocessen. en demonstration av skärande läkningsprocessen för den läkbara EL -enheten. a-i – a-iii uppvisar det ursprungliga arbetstillståndet, skär tillstånd, och återupplivade arbetsstaten, respektive, efter läkning. a-iv visar böjningstillståndet för den läkta EL-anordningen. b Luminans -spänningsegenskaper hos EL -enheten för de initiala och läkta tillstånden. c Distribution av det elektriska fältet över fosforskiktet, där färgfältet representerar det elektriska fältets intensitet. d Förstorad bild av en markerad region i c, där pilarnas längder och riktningar representerar värdena och riktningarna, respektive, av det elektriska fältet intill läkningsområdet. e De elektriska fältens värdevariation som funktion av avståndet till läkningspunkten, där ΙEΙ representerar värdena för de omfördelade elektriska fälten och ΙE0Ι representerar det ursprungliga värdet för de distribuerade elektriska fälten före skärning -läkningsprocessen. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
EL-anordningen innehöll det sammansatta fosforskiktet (sammansatt av PU/ZnS/BN) inklämt av två symmetriska (PAA-NaCl-baserade) transparenta jonledare. Morfologin för varje lager/komponent karakteriserades med användning av fältemission SEM och optiska bilder. Återställande av mekanisk styrka efter läkning av varje lager utvärderades genom att hänga en vikt. Joniska konduktiviteter som mättes med elektrokemisk impedansspektroskopi (EIS) visade full återställning jämfört med initialvärdet, även efter 10 skärande läkningscykler.
Som bevis på arbetsprincipen, forskarna observerade också återupplivningen av en ljusemitterande diodkrets (LED) efter skärande läkningscykler av det ledande materialet. Kapacitansen hos det dielektriska skiktet förblev nästan konstant efter olika läkningscykler, vilket indikerar att ljusemissionsintensiteten och distribuerad spänning förblev nästan konstant efter läkning. Mekaniska egenskaper hos den läkta EL -enheten indikerade återställning av både draghållfasthet och Youngs modul vid enhetens brytpunkt, även efter 10 skärande läkningscykler.
LEGO monteringsprocess av självläkande EL-enheter. a) En komplett EL -enhet skars i två individuella EL -enheter. a-i) anger det ursprungliga viloläget, a-ii) arbetsstaten, och a-iii) skärläget. b) De två erhållna EL-enheterna i fungerande skick. c) De två erhållna EL-enheterna samlades till ett ”T” ljusemitterande brev. d) De monterade ljusemitterande tecknen som ”CITYU” med olika EL-enheter. Upphovsman:Light:Science &Applications, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
Forskarna demonstrerade också det ursprungliga arbetstillståndet, skärande tillstånd och läkt tillstånd (arbete efter läkning) styrt av den rationella designen för både material och enhet. Framgångsrik återupplivning av EL-enhetens ljusemitterande prestanda indikerade återställning av fysikalisk-kemiska och mekaniska egenskaper i varje funktionellt lager. Experimentella data passar bra med ekvationen härledd i studien för både initialt arbetsläge och läkt tillstånd.
Baserat på den enastående läkningskapaciteten hos EL -enheterna, forskarna samlade några EL-enheter i ett integrerat EL-system för att bygga en LEGO-samling av ljusemitterande enheter. För att uppnå detta i labbet, EL -enheten skars i hälften för att skapa EL1 och EL2, och båda enheterna arbetade utan någon synlig försämring av luminescens. Under LEGO -monteringsprocessen, forskarna implementerade två EL-enheter för att bilda ett T-format ljusemitterande brev, med synlig funktionalitet på healing. Dessutom, forskarna sammanställde materialen för att bilda ord med färgglada ljusutsläpp med hjälp av ZnS -fosforpartiklar dopade med olika element.
Studien var den första som rapporterade den godtyckliga LEGO-liknande montering av EL-enheter, där alla funktionella lager skulle kunna läka. Den nya designen kan tillämpas för att utveckla joniskt ledande, helande hydrogeler som transparenta elektroder och läkande dielektriska polymerer med isolerande fosforskikt. Sådana material kommer att ha avancerade applikationer för att bygga nästa generation av bärbara, deformerbar och självläkande elektronik.
© 2018 Science X Network
