Ett team av ingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat ett magnetiskt bläck som kan användas för att göra självläkande batterier, elektrokemiska sensorer och bärbara, textilbaserade elektriska kretsar.

Den viktigaste ingrediensen för bläcket är mikropartiklar orienterade i en viss konfiguration av ett magnetfält. På grund av hur de är orienterade, partiklar på båda sidor av en tår attraheras magnetiskt till varandra, vilket gör att en enhet som är tryckt med bläcket läker sig själv. Enheterna reparerar revor så breda som 3 millimeter – ett rekord inom området självläkande system.

Forskare beskriver sina resultat i numret 2 november av Vetenskapens framsteg .

"Vårt arbete har ett stort löfte om utbredda praktiska tillämpningar för långvariga tryckta elektroniska enheter, sade Joseph Wang, direktör för Center for Wearable Sensors och ordförande för nanoingenjörsavdelningen vid UC San Diego.

Befintliga självläkande material kräver en extern trigger för att kicka igång läkningsprocessen. De tar också allt mellan några minuter till flera dagar att arbeta. Däremot systemet som utvecklats av Wang och kollegor kräver ingen extern katalysator för att fungera. Skador repareras inom cirka 50 millisekunder (0,05 sekunder).

Ingenjörer använde bläcket för att skriva ut batterier, elektrokemiska sensorer och bärbara, textilbaserade elektriska kretsar (se video). De började sedan skada dessa enheter genom att skära dem och dra isär dem för att skapa allt större luckor. Forskare skadade upprepade gånger enheterna nio gånger på samma plats. De orsakade också skada på fyra olika ställen på samma enhet. Enheterna läkte fortfarande sig själva och återställde sin funktion samtidigt som de förlorade en minimal ledningsförmåga.

Till exempel, nanoingenjörer tryckte en självläkande krets på ärmen av en T-shirt och kopplade ihop den med en LED-lampa och ett myntbatteri. Forskarna skar sedan kretsen och tyget den trycktes på. Vid det tillfället, lysdioden släckts. Men sedan inom några sekunder började den slå på igen när de två sidorna av kretsen kom samman igen och läkte sig själva, återställande av konduktivitet.

"Vi ville utveckla ett smart system med imponerande självläkande förmågor med lätt att hitta, billiga material, " sa Amay Bandodkar, en av tidningarnas första författare, som tog sin Ph.D. i Wangs labb och är nu postdoktor vid Northwestern University.

Tillverkning

Wangs forskargrupp är ledande inom området tryckta bärbara sensorer, så hans team av nanoingenjörer vände sig naturligtvis till bläck som utgångspunkt för deras självläkande system.

Ingenjörer laddade bläcket med mikropartiklar gjorda av en typ av magnet som vanligtvis används inom forskning och gjorda av neodym, en mjuk, silverfärgad metall. Partiklarnas magnetfält är mycket större än deras individuella storlek. Detta är nyckeln till bläckets självläkande egenskaper eftersom attraktionen mellan partiklarna leder till slutande revor som är millimeter breda.

Partiklarna leder också elektricitet och är billiga. Men de har dåliga elektrokemiska egenskaper, gör dem svåra att använda i elektrokemiska anordningar, såsom sensorer, själva. För att lösa detta problem, forskare lade kolsvart till bläcket, ett material som vanligtvis används för att tillverka batterier och sensorer.

Men forskare insåg att mikropartiklarnas magnetfält, när de är i sin naturliga konfiguration, avbröt varandra, som berövade dem deras helande egenskaper. Ingenjörer löste detta genom att skriva ut bläcket i närvaro av ett externt magnetfält, vilket säkerställde att partiklarna orienterade sig för att bete sig som en permanentmagnet med två motsatta poler i änden av varje tryckt enhet. När enheten delas i två delar, de två skadade bitarna fungerar som olika magneter som attraherar varandra och självläker.

I framtiden, ingenjörer föreställer sig att göra olika bläck med olika ingredienser för ett brett spektrum av applikationer. Dessutom, de planerar att utveckla datorsimuleringar för att testa olika självläkande bläckrecept i silico innan de testar dem i labbet.