Creazione di tracce conduttive robuste. (a) Schemi per illustrare il processo di goffratura, dove discrete goccioline isolanti di metallo liquido sono selettivamente goffrate per formare una rete conduttiva connessa. (b) La micrografia ottica di una regione in rilievo mostra il composito in difficoltà, che è elettricamente conduttivo, barra della scala:250 µm. (c) Motivo in rilievo sotto forma di lettere L e M con linee e connessioni intricate (barra della scala—10 mm). (d) Un grafico di R/R0 rispetto alla deformazione applicata su una traccia conduttiva (ϕ = 60%, = 10%). La curva rossa mostra l'aumento previsto di R/R0 con la deformazione applicata per un conduttore metallico, mentre la traccia conduttiva di metallo liquido goffrato (curva blu) mostra una costante o una riduzione di R/R0 (0,56 a 1200% di deformazione rispetto a 169 per la previsione). L'inserto mostra le immagini di un campione non teso e di un campione con una deformazione del 1200% (barra della scala—50 mm). Credito:Materiali di comunicazione sulla natura, 10.1038/s43246-021-00169-4
L'elettronica morbida è sempre più richiesta per diverse applicazioni, ma mancano di involucri rigidi e sono quindi suscettibili di smaltimento prematuro dopo le applicazioni elettroniche. È quindi necessario creare materiali morbidi ed elastici con proprietà elastiche e rigenerative. L'elettronica simile alla pelle che può allungare fino al 1200 percento di deformazione con un cambiamento minimo nella resistenza elettrica può mantenere la conduttività elettrica. In un nuovo studio, Ravi Tutika e colleghi in Ingegneria Meccanica negli Stati Uniti, ha sviluppato compositi morbidi con microstrutture adattive in metallo liquido per una vasta gamma di applicazioni pratiche.
Applicazioni di ispirazione biologica in laboratorio.
L'elettronica morbida forma componenti importanti nei settori emergenti, compresa l'elettronica indossabile, per prevenire danni prolungati e creare sistemi sintonizzabili che sopravvivono a diversi spazi applicativi. L'elettronica robusta è autorigenerante e tollerante ai danni; perciò, i ricercatori mirano a costruire funzioni rigenerative per ispirati biologicamente, applicazioni riciclabili in laboratorio. Gli scienziati hanno già sviluppato un'elettronica transitoria che si dissolve dopo un periodo di tempo con conduttori geometricamente modellati per l'elasticità. L'elettronica a base di metallo liquido può anche essere riparata e formata manualmente utilizzando discrete goccioline di metallo liquido con incisione/scrittura o sinterizzazione laser. In questo lavoro, Tutika et al. ha sviluppato un composito metallo-elastomero liquido come piattaforma morbida rigenerativa riconfigurando la microstruttura delle goccioline di metallo liquido. L'elettronica rigenerativa sviluppata in questo lavoro, presenta una piattaforma sintonizzabile per circuiti resilienti e riciclabili con diverse applicazioni.
Compositi di metalli liquidi per l'elettronica rigenerativa. (a) Un composito di metallo liquido dimostrato come un sistema singolare per circuiti morbidi con robusti, tracce conduttive auto-riparabili con resistenza invariante alla deformazione a diversi livelli di resistenza. I campioni non filtrati e riciclati mostrano il funzionamento dei LED prima dello stiramento e dopo il riciclaggio (barre di scala—10 mm). Composizione del materiale ϕ = 60%, = 20%. (b) Gli schemi mostrano la trasformazione della microstruttura del metallo liquido per consentire le capacità di cui sopra:resistenza alla deformazione invariante di una traccia conduttiva creata attraverso la goffratura per formare una rete di particelle di metallo liquido. Tracce tolleranti ai danni attraverso una riconfigurazione autonoma delle connessioni di particelle metalliche liquide per l'elettronica autorigenerante. Le tracce riformabili sono abilitate cancellando una rete di metallo liquido precedentemente formata e creando una nuova rete attraverso un approccio di cancellazione del solvente. Circuiti morbidi multiuso attraverso la dissoluzione del composito, che cancella tutte le reti di metallo liquido e le tracce elettriche, e riciclaggio per l'uso in nuove applicazioni. Credito:Materiali di comunicazione sulla natura, 10.1038/s43246-021-00169-4 
Per preparare l'elastomero, Tutika et al. aggiunto polibutadiene (PBD) come plastificante per proprietà meccaniche e di goffratura. Il plastificante ha mostrato diverse caratteristiche chiave tra cui un morbido, altamente malleabile, microstruttura resistente con proprietà riciclabili. Il team ha utilizzato un approccio di elaborazione della soluzione per sciogliere i pellet solidi in toluene e quindi ha aggiunto plastificante alla miscela. Hanno anche aggiunto metallo liquido alla soluzione per creare un amalgama di goccioline di metallo liquido di dimensioni micron. Il team ha quindi calcolato la conduttività elettrica iniziale della configurazione e ha evidenziato le prestazioni elettriche dei conduttori compositi. La configurazione sincrona ha permesso loro di regolare la resistenza e il carico applicato. Il metodo ha facilitato lo sviluppo di resistori altamente estensibili con una resistenza quasi costante. Per dimostrare la loro funzione, Tutika et al. ha anche creato un circuito LED e ha interfacciato i compositi con componenti elettrici rigidi.
Proprietà elettromeccaniche delle tracce conduttive morbide. (a) Un grafico e uno schema illustrano la procedura di goffratura con controllo di feedback. (b) Un grafico della resistenza rispetto alla deformazione a trazione applicata di tre diverse tracce conduttive impresse alle resistenze R = 10 Ω, 100 Ω, e 1 kΩ (ϕ = 60%, = 20%). L'inserto mostra una fotografia di tracce in rilievo con R1 = 100 Ω e R2 = 10 Ω utilizzati come resistori per modificare la luminosità del LED (barra della scala—5 mm). (c) modulo elastico e (d) deformazione a rottura di un elastomero non caricato, incontaminato (senza rilievo), e composito goffrato. (e) Allungamento di un LED integrato con tracce in rilievo (barra scala—10 mm). (f) Un composito con ϕ = 50% utilizzato per creare un circuito LED per illustrare la robustezza delle tracce in funzione:piegatura, pieghevole, torsione, e allungamento (barra della scala—10 mm). Le barre di errore indicano le deviazioni standard per n = 3 Credito:Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4
Funzionamento robusto e autoguarigione dinamica. (a) Il grafico mostra il comportamento ciclico robusto del composito su 1000 cicli, ciascuno fino a un ceppo del 100%. (b) Grafico di R/R0 rispetto al tempo in una prova ciclica di tre cicli ad ogni passaggio fino a una deformazione del 1000% con incrementi di deformazione del 100% (l'ombreggiatura indica i tre cicli a una determinata deformazione), l'inserto mostra il profilo di deformazione applicato rispetto al tempo. (c) Il test di perforazione durante la tensione mostra la capacità di autoguarigione dinamica. Un grafico di R/R0 rispetto alla deformazione e al tempo mostra la riduzione della resistenza, ma non mostra alcuna perdita di conduttività elettrica. La composizione per tutti i campioni in questa figura è ϕ = 60%, = 10%. Credito:Materiali di comunicazione sulla natura, 10.1038/s43246-021-00169-4
Funzionalità robusta del materiale composito
Gli scienziati hanno quindi utilizzato i materiali per condurre tracce conduttive ed eseguire prove di trazione. I risultati hanno evidenziato le tracce conduttive in rilievo come candidati promettenti per il cablaggio di circuiti morbidi, il materiale ha anche mostrato proprietà di autoriparazione in ambienti difficili grazie alla sua robustezza. Per costruire il circuito morbido, il team ha utilizzato tracce conduttive realizzate su un foglio composito di metallo liquido-elastomero-plastificante in posizioni predeterminate con stampi stampati in 3D. Durante gli esperimenti, Tutika et al. ha mostrato come i costrutti mantengano la conduttività elettrica e la resistenza meccanica. La natura solubile del polimero in toluene ha permesso di riconfigurare il circuito per applicazioni pratiche con sorgenti luminose a LED. La configurazione ha fornito una caratteristica importante del sistema composito non distruttivo. La termoplasticità del materiale unita alla natura liquida del materiale metallico ha permesso anche a Tutika et al. riciclare e riutilizzare efficacemente i compositi. I campioni riciclati erano elettricamente isolanti, e possono essere riciclati come compositi per creare circuiti elettrici. Il team ha mostrato questa capacità creando circuiti LED funzionali per indicare l'affidabilità delle connessioni elettriche in un ambiente incontaminato, campioni di materiale riciclabile.
Riconfigurazione e riciclaggio di compositi morbidi in metallo liquido. (a) Schemi e fotografie che mostrano il processo di riconfigurazione di una traccia conduttiva mediante approccio di cancellazione con solvente in un composito con ϕ = 60%, =20%, barre della scala—10 mm. (b) Curve sforzo-deformazione dell'incontaminato, e campioni riciclati che mostrano un livello di stress più elevato per l'incontaminato. (c) Le micrografie ottiche mostrano il cambiamento nella microstruttura delle goccioline di metallo liquido con il riciclaggio e i LED non mostrano alcuna perdita di funzionalità elettrica in un composito con = 60%, δ = 10% (barra della scala per micrografie—100 μm e immagini—10 mm). Credito:Materiali di comunicazione sulla natura, 10.1038/s43246-021-00169-4
Veduta
In questo modo, Ravi Tutika e colleghi hanno sviluppato un'elettronica morbida autorigenerante e riciclabile che può essere allungata a sollecitazioni elevate per funzionalità robuste nei campi emergenti dell'elettronica morbida ed elastica. La ricerca è rilevante per i materiali funzionali morbidi, dove un singolo sistema composito multifunzionale può mantenere le proprietà per l'elettronica morbida, compresa una robusta elasticità, capacità di guarigione e riciclabilità. Durante lo sviluppo dei costrutti materiali, il team ha utilizzato esclusive inclusioni in fase liquida per riconfigurare la microstruttura del materiale e formare robuste reti di metallo liquido per costruire un'elettronica resiliente e rigenerativa. Il materiale è applicabile anche per diverse funzionalità, consentendo agli scienziati dei materiali di ridurre i rifiuti elettronici insieme a una migliore riciclabilità.
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