Utöver flexibel elektronik, som kan deformeras till kurvlinjära 3D-former genom passiv mekanisk påkänning, har form-omkonfigurerbar elektronik ett stort löfte som nästa generation av elektroniska enheter.
När elektroniken fortsätter att miniatyriseras hindrar rumsliga begränsningar passiv mekanisk deformation, vilket kräver fysisk kontakt och inkludering av skrymmande, tunga strömkällor som batterier. För att ta itu med de inneboende begränsningarna hos miniatyriserade system, reagerar materialen som används i form-omkonfigurerbar elektronik aktivt på yttre stimuli, såsom temperatur, ljus och elektricitet, och utför programmerad aktivering.
Dessa material, som kallas stimuli-responsiva material, kan anses ha "fysisk intelligens" kodad inom sig. Dessa fysiskt intelligenta material fungerar som en plattform för form-omkonfigurerbar elektronik, eftersom de aktivt kan omvandla sin form till olika 3D-former och ändra sin kroppsposition genom reversibel aktivering.
Ledda av Jeong Jae Wie, en docent vid institutionen för organisk och nanoteknik vid Hanyang University, har forskare introducerat ett nytt koncept med fysisk intelligenskodad flytande kristall-elastomer-baserad form-omkonfigurerbar elektronik, som har demonstrerat rörelse på begäran, inklusive krypning, hoppning och slingskjutning av små föremål.
Ett av dessa lovande fysiskt intelligenta material är flytande kristallelastomer (LCE), ett material som är välkänt för sin tillämpning i flytande kristallskärmar (LCD). Utöver dess användning som displaymaterial möjliggör den programmerbara inriktningen av anisotropa flytande kristallina molekyler riktningskontrollerad formomkonfiguration, vilket utökar dess potential som en plattform för formomkonfigurerbar elektronik när LCE kombineras med andra ledande fyllmedel.
I denna studie, publicerad i Nano Energy , har forskargruppen framgångsrikt integrerat LCE med en högledande Ti3 C2 Tx MXene, bildar en dubbelskiktsstruktur. MXene tillhör en ny familj av 2D-material kända för sin anmärkningsvärda elektriska ledningsförmåga och höga fototermiska konverteringseffektivitet.
Genom en anpassad in-situ fotopolymerisationsprocess överfördes MXene effektivt till LCE-skiktet utan någon skada eller fysisk delaminering.
MXene-skiktet har en tjocklek på 370 nm vilket är 133 gånger tunnare än LCE-skiktet, vilket resulterar i låg böjstyvhet för dubbelskiktet och möjliggör hög aktiveringsprestanda. Dessutom uppvisar det nybildade LCE/MXene-dubbelskiktet, kallat MLB, anmärkningsvärt hög elektrisk ledningsförmåga på ungefär ~5 300 S cm -1 , vilket gör att MLB kan driva lysdioder. MLB demonstrerar också foto-/elektrotermiskt driven aktiveringsförmåga under nära-infrarött ljus och med spänningstillämpningar på mindre än 3,5 V.
För att uppnå olika form-omkonfiguration och förflyttning med MLB, introducerades kollektivt sammansatta strukturer, med hänsyn till monteringens symmetri.
Symmetriskt sammansatta MLB:er visade S-, W-, blomliknande former och invers-kiral struktur. Dessutom visade asymmetriskt sammansatta MLB:er riktad krypning och rotation med justeringar av längden och molekylär inriktning av de ingående MLB-enheterna.
De asymmetriskt monterade MLB:erna hade ett kontinuerligt skiftande masscentrum under deras aktivering, vilket ledde till riktningsrörelse. Inspirerade av genomsnäppningsinstabilitet, åstadkom dessa sammansatta MLB också hopprörelser och sling-skytte av små föremål. För detta introducerade forskargruppen nyligen en styv pappersram och en alternativt sammansatt struktur, som på konstgjord väg begränsade form-omkonfigurationen av de sammansatta MLB:erna och sedan effektivt lagrade den resulterande elastiska energin. Denna lagrade elastiska energi omvandlades sedan till mekanisk energi via snap-through, vilket i slutändan ledde till snabba och explosiva hopp- och slingskjutrörelser av den sammansatta MLB.
Woongbi Cho, den första författaren till tidningen, noterar "Multifunktionalitet är en nyckelkomponent för nästa generations elektronik, och geometrisk mångfald gör det möjligt för form-omkonfigurerbar elektronik att utföra multimodal aktivering och förflyttning."
På tal om MLB, tillade professor Wie, "Shape-rekonfigurerbar elektronik baserad på flytande kristallelastomer och MXene utökar framgångsrikt tillämpningen av flytande kristallina polymerer. Vi tror att denna teknik kan ge insikt i formform-omkonfigurerbara plattformar som kan användas inom olika områden. inklusive energilagringsenheter, antenner och miniatyriserade robotsystem."
Mer information: Woongbi Cho et al, Multifunktionell rörelse av kollektivt sammansatt form-omkonfigurerbar elektronik, Nano Energy (2023). DOI:10.1016/j.nanoen.2023.108953
Journalinformation: Nanoenergi
Tillhandahålls av Hanyang University
