(PhysOrg.com)- Nu när forskare har utvecklat ett mångsidigt sortiment av enheter och material i nano- och mikrostorlek, en av de största utmaningarna är att hitta ett praktiskt sätt att integrera dem i system i makroskala. Till exempel, små sensorer, ställdon, och elektroniska enheter kan bara leva upp till sin fulla potential när de kan utnyttjas i stora system i vardagen. I en ny studie, forskare har utvecklat ett effektivt sätt att överbrygga mikro- och makroskalorna genom att designa ett nätverk av mikrotrådar och mikronoder som kan byggas ut från några kvadratcentimeter till en kvadratmeter vid låga töjningsnivåer i materialet.

Giulia Lanzara, Janmin Feng, och Fu-Kuo Chang vid Institutionen för luftfart och astronautik vid Stanford University har publicerat sin studie i ett nyligen utgåva av Smarta material och strukturer .

Som forskarna förklarar i sin studie, att införliva miniatyriserade elektroniska komponenter i stora föremål har hittills inte uppnåtts med nuvarande teknik till överkomliga kostnader. Den traditionella metoden innebär vanligtvis att först tillverka nano/mikrokomponenterna och sedan montera och koppla dem på makroskalanivå. Eftersom det kan finnas tusentals komponenter att montera, denna metod blir snabbt kostsam och tidskrävande. Alternativa tillvägagångssätt har inkluderat tillverkning av mikrokomponenterna på töjbara substrat, men hittills har ingen design tolererat stora mängder påfrestningar och stretching. I deras studie, Stanford -forskarna använder också ett töjbart underlag, men deras design är mycket expanderbar, möjliggör tvådimensionell töjning av mer än 25, 600 %.

"En av de stora drömmarna inom vetenskap och teknik är att utveckla" smarta "material/strukturer eller enheter som kan likna de unika multipla funktionerna i levande system, ” berättade Lanzara PhysOrg.com . ”Följaktligen är den stora utmaningen den icke-invasiva integrationen av ett distribuerat utbud av nano/mikroenheter i makroskopiska material. Tanken som jag föreslog för att övervinna denna fråga är att bygga en rad nano/mikroenheter på ett expanderbart och flexibelt substrat, mönstrade i mikroskalan och som liknar, en gång expanderat, ett gigantiskt och ultralätt spindelnät. Webben kan sedan integreras för att göra "intelligenta" material utan risk för att påverka vikten, mekanisk prestanda och pålitlighet hos värdmaterialet. Den föreslagna flerskala metoden representerar det första steget mot förverkligandet av verkligt funktionella material som liknar levande system. ”

Bland deras experiment, forskarna konstruerade ett nätverk som består av 5, 041 mikronoder med diametrar på cirka 200 mikrometer (dessa kan vara värd för små sensorer, ställdon, etc.) som är anslutna i ett rutnätliknande mönster med mikrokablar. Nyckeln till den utbyggbara designen är att ordna de förexpanderade mikrokablarna i slingor och segment - i huvudsak, komprimera en så lång tråd som möjligt mellan noder på ett sådant sätt att expansion tillåts vid låga töjningsnivåer. Genom att belägga mikrotrådarna med ett aluminiumskikt, forskarna skulle kunna göra det möjligt för dem att fungera som elektriska sammankopplingar mellan noderna för olika elektroniska enheter. Mikronoder placerade i nätverkets periferi skulle sedan kunna vidarebefordra elektriska signaler in i och ut ur nätverket.

Tillverkningen och expansionen av nätverket är ny men ändå relativt enkel. Forskarna mönstrade först de funktionella mikrotrådarna och mikronoderna (i den förexpanderade konfigurationen) på en Kapton-film med 10 centimeter diameter, som är ett polymermaterial som också används som isolering för rymddräkter och elektriska ledningar i rymdfärjor. Onödigt material avlägsnades sedan från Kapton-filmen för att bilda ett nätverk av mikronoder sammankopplade med mikrotrådar.

Polymernätet sträcktes sedan med en handstyrd sträckmaskin, först i ena riktningen och sedan i den andra. När nätverket expanderar, mikrotrådsslingorna sprids isär som ett dragspel (men noderna sträcker sig inte). Med hjälp av ett mikroskop, forskarna inspekterade det utökade nätverket på en kvadratmeter och fann att mikrotrådarna och mikronoderna fortfarande var mekaniskt och elektriskt sunda. Mikronoderna placerades också exakt på fördefinierade platser efter expansion.

”Det tillvägagångssätt som jag föreslog är konceptuellt enkelt men ingen tänkte på det förut, ”Sa Lanzara. "Istället för att försöka" sträcka "ett material för att täcka stora områden och bara förlita sig på materialets fysiska egenskaper, varför inte helt enkelt "ta bort onödigt material" från en polymerfilm och "konstruera" det återstående materialet i form av vikta mikrotrådar och mikronoder? På det här sättet, genom att helt enkelt fälla ut mikrokablarna, det konstruerade materialet kan expanderas till flera storleksordningar av sin ursprungliga storlek vid mycket låga töjningsvärden. Denna design leder till tvådimensionella töjningsförhållanden som går utöver töjningsförmågan hos något material som är känt idag. ”

Övergripande, det utökade nätverket är i grunden en makroskalaversion av det centimeterstora nätverket, med båda tillverkade av samma mikrostora komponenter. Dessutom, Hela det stora nätverket kunde rullas upp i olika 3D-former på grund av dess höga flexibilitet och kunde enkelt integreras i material med olika styvhet som flexibla polymerer och kolfiberkompositer.

Som forskarna förklarar, det mycket utbyggbara nätverket kan fungera som ett kostnadseffektivt sätt att integrera en högdensitetsuppsättning av nano-/mikroskaliga enheter på makroskalanivå. Även om den primära applikationen för detta nätverk kan vara för sensorer som spänner över stora områden, tillvägagångssättet kan också ha tillämpningar inom bärbar elektronisk utrustning, pappersliknande skärmar, intelligenta elektroniska textilier, och mer.

"Detta arbete kan säkert bana väg till rymden, civil, militär, medicinska och biomedicinska tillämpningar samt utveckling av produkter som har potential att förbättra komforten och kvaliteten på vår livsstil, sa Lanzara. "Till exempel, den utökade webben kan användas för att förverkliga smarta textilier för kläder eller för medicinsk utrustning, att förverkliga framtidens morfingsmaterial, eller multifunktionell, exceptionellt hållbar, pålitliga kompositer för säkra och hållbara flygplan samt för att realisera den konstgjorda huden hos humanoida robotar. Att tillverka nätverket i mikroskala och utöka det till makroskalan i ett enda steg möjliggör en drastisk minskning av integreringskostnaderna i material eller strukturer, Således, de ovan nämnda tillämpningarna kan äntligen realiseras praktiskt."

Copyright 2010 PhysOrg.com.
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivet eller omfördelat helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.