I circuiti elettronici estensibili sono fondamentali per la robotica morbida, tecnologie indossabili, e applicazioni biomediche. Le attuali modalità di realizzazione, anche se, hanno limitato il loro potenziale.

Un team di ricercatori nel laboratorio di Yale di Rebecca Kramer-Bottiglio, il John J. Lee Assistant Professor di Ingegneria Meccanica e Scienza dei Materiali, ha sviluppato un materiale e un processo di fabbricazione che possono rendere rapidamente questi dispositivi più elastici, più durevole, e più vicini ad essere pronti per la produzione di massa. I risultati sono pubblicati sulla rivista Materiali della natura .

Una delle maggiori sfide per quest'area dell'elettronica è quella di collegare in modo affidabile conduttori estensibili con i materiali rigidi utilizzati nei componenti elettronici disponibili in commercio, come resistori, condensatori, e diodi emettitori di luce (LED).

"Il problema è che è difficile collegare qualcosa di morbido con qualcosa di rigido, " disse Shanliangzi Liu, autore principale dell'articolo e un ex dottorato di ricerca. studente nel laboratorio di Kramer-Bottiiglio. Quando i materiali estensibili si piegano e si allungano, una grande forza di taglio si sviluppa all'interfaccia e spesso lacera la connessione per rendere il circuito inutilizzabile.

Un materiale noto come eutettico gallio-indio (eGaIn), che mantiene una forma liquida a temperatura ambiente, è stato utilizzato per i collegamenti nell'elettronica estensibile, ma la sua elevata tensione superficiale gli impedisce di collegarsi correttamente a componenti rigidi. Diverse strategie sono state utilizzate per aggirare questo problema, ma a costo di limitare l'elasticità e la durata dei circuiti risultanti.

Il laboratorio di Kramer-Bottiglio ha adottato un approccio diverso utilizzando le nanoparticelle di eGaIn per sviluppare un nuovo materiale, il Ga-In bifasico (bGaIn), che ha elementi sia solidi che liquidi. Quando riscaldato a 900 gradi C, un film di nanoparticelle di eGaIn cambia forma, sviluppando un sottile, strato di ossido solido sulla parte superiore con uno spesso strato di particelle solide incorporate in eGaIn liquido. Quando staccato, il materiale viene trasferito su substrati estensibili, simile a come funzionano i tatuaggi temporanei.

Con una robusta interfaccia tra bGaIn e componenti elettronici rigidi, il risultato è un gruppo di circuiti stampati estensibile che si comporta così come uno convenzionale, anche sotto elevati livelli di sforzo. L'approccio apre opportunità per creare circuiti estensibili per un'ampia gamma di applicazioni industriali, compresi soft display e indumenti intelligenti.

Per dimostrare il processo, il team lo ha utilizzato per costruire una serie di dispositivi, compreso un circuito amplificatore che potrebbe essere allungato ad almeno cinque volte la sua lunghezza originale, un array di LED "Yale" estensibile, e un circuito di condizionamento del segnale multistrato integrato con un sensore estensibile fissato alla superficie della manica della camicia di un utente. I circuiti sono stati applicati anche a un palloncino in lattice e "scritti a mano" su una schiuma molto porosa.

"La chiave qui è che l'intero circuito è estensibile, " ha detto il co-autore Dylan Shah, un dottorato di ricerca studente nel laboratorio di Kramer-Bottiglio. "I circuiti precedenti utilizzati nei robot morbidi avevano una combinazione di piccole aree che non si allungavano, e poi aree estensibili. Poiché i nostri circuiti hanno un conduttore e un'interfaccia entrambi estensibili, sono molto più elastici e flessibili."

Per questo studio, i ricercatori hanno utilizzato la stampa transfer, che richiede un passaggio manuale. Liu, che ora è un associato post-dottorato alla Northwestern University, ha detto che uno dei prossimi passi con la ricerca è quello di modificare l'inchiostro bGaIn per la stampabilità, in modo che possa essere perfettamente integrato nelle linee di produzione di circuiti automatizzati.