En tryckt elastisk ledare upprätthåller hög konduktivitet under belastning. Den ljusemitterande dioden (LED) fortsätter att lysa starkt även när den sträcks till fem gånger dess ursprungliga längd (botten). Upphovsman:Someya Group 2017, University of Tokyo.
En nyutvecklad tryckbar elastisk ledare behåller hög konduktivitet även när den sträcks till så mycket som fem gånger sin ursprungliga längd, säger ett japanskt team av forskare. Det nya materialet, tillverkad i pastaliknande bläckform, kan tryckas i olika mönster på textilier och gummiytor som töjbara ledningar för bärbara enheter med sensorer, samt ge mänskliga hudliknande funktioner till robotens exteriörer.
Utveckling av bärbara enheter, t.ex. sådana som övervakar en persons hälsa eller fysiska prestanda, som hjärtfrekvens eller muskelaktivitet, pågår för närvarande med några produkter som redan finns på marknaden. Dessutom, med tillkomsten av robotar inom områden som hälsovård och detaljhandel, förutom tillverkning, framtida tillämpningar för känsligt elastiskt ledande material som tål hög belastning från töjning kommer sannolikt att öka vid feberhöjning.
"Vi såg den växande efterfrågan på bärbara enheter och robotar, "säger professor Takao Someya vid University of Tokyos Graduate School of Engineering, som övervakade den aktuella studien. "Vi tyckte att det var mycket viktigt att skapa utskrivbara elastiska ledare för att hjälpa till att möta behovet och förverkliga utvecklingen av produkterna, " han lägger till.
För att uppnå en hög grad av töjbarhet och konduktivitet, forskarna blandade fyra komponenter för att skapa sin elastiska ledare. De fann att deras konduktiva pasta bestående av mikrometerstora silver (Ag) flingor, fluorgummi, ytaktivt fluor - allmänt känt som ett ämne som minskar ytspänningen i vätska - och organiskt lösningsmedel för att lösa upp fluorgummit överträffade markant den elastiska ledare som de tidigare hade utvecklat 2015.
Ag-nanopartiklar bildas genom att helt enkelt blanda mikrometerstora Ag-flingor med andra komponenter och skriva ut den sammansatta pastan, som ursprungligen inte inkluderar nanopartiklarna. Dessa Ag-nanopartiklar med hög densitet överbryggar ledningen mellan mikrometerstora Ag-flingor dispergerade i fluorgummi. Upphovsman:Someya Group 2017, University of Tokyo.
Utan att stretcha, tryckta spår av den nya konduktören inspelade 4, 972 siemens per centimeter (S/cm), hög konduktivitet med hjälp av det gemensamma måttet för bedömning av elektrisk konduktans. När den sträcks med 200 procent, eller till tre gånger dess ursprungliga längd, konduktivitet uppmätt 1, 070 S/cm, vilket är nästan sex gånger värdet av den tidigare ledaren (192 S/cm). Även när den sträcks med 400 procent, eller fem gånger dess ursprungliga längd, den nya ledaren behöll en hög konduktivitet på 935 S/cm, den högsta nivån som registrerats för denna mängd stretching.
Förstoring med ett svepelektronmikroskop (SEM) och transmissionselektronmikroskop (TEM) visade att ledarens höga prestanda berodde på självbildning av silver (Ag) nanopartiklar-en tusendel av Ag-flingornas storlek och dispergerades enhetligt mellan flingorna i fluorgummit - efter att den ledande kompositmassan skrivits ut och värmts. "Vi förväntade oss inte bildandet av Ag -nanopartiklar, "kommenterar Someya deras överraskande upptäckt.
Vidare, forskarna fann att genom att justera variabler som fluorgummiets molekylvikt, de kunde kontrollera distributionen och befolkningen av nanopartiklar, medan närvaron av ytaktivt ämne och uppvärmning påskyndade bildandet och påverkade deras storlek.
Varje fingertoppstrycksensor monterad på denna handske är ansluten till en LED. Lysdiodernas intensitet varierar beroende på trycket från fingertopparna. Handsken gör det möjligt att fastställa grader av tryck som är svåra att uppnå bara genom att undersöka bilder. Upphovsman:Someya Group 2017, University of Tokyo.
För att demonstrera genomförbarheten hos ledarna, forskarna tillverkade fullt tryckta töjbara tryck- och temperatursensorer - som kan känna av svag kraft och mäta värme nära kropps- och rumstemperaturer - anslutna med de utskrivbara elastiska ledarna på textilier. Sensorerna, som enkelt kan installeras genom att laminera på ytor genom varmpressning med värme och tryck, tog exakta mätningar även när de sträcktes med 250 procent. Detta är tillräckligt för att rymma flexibla områden med hög stress, såsom armbågar och knän på formbara, formpassande sportkläder eller leder på robotarmar som ofta är utformade för att överträffa mänskliga förmågor och därmed utsättas för högre belastning.
Det nya materialet, som är hållbar och lämplig för utskriftsmetoder med hög kapacitet som stencil eller screentryck som kan täcka stora ytor, pekar på enkel installation, och dess egenskaper att bilda Ag -nanopartiklar (som är en bråkdel av kostnaden för Ag -flingor) när de skrivs ut ger ett ekonomiskt alternativ för att realisera ett brett spektrum av applikationer för bärbara enheter, robotik och deformerbara elektroniska enheter. Teamet undersöker nu ersättare för Ag -flingor för att ytterligare minska kostnaderna, medan de också tittar på andra polymerer, som icke -fluor gummi, och olika kombinationer av material och processer för att tillverka elastiska ledare med liknande hög prestanda.
