Il processo di fabbricazione e il meccanismo di autoguarigione. Processo di sintesi dello strato di conduttore ionico PAA/NaCl in (a) e dello strato di fosforo composito PU/ZnS/BN in (b), dove sono mostrate le fotografie ottiche degli strati così ottenuti. c-i) Principio schematico e struttura del dispositivo EL autoriparabile. c-ii) Circuito equivalente di un dispositivo EL, dove C rappresenta il condensatore corrispondente e R rappresenta la resistenza del conduttore ionico. d-i) Processo di taglio-guarigione del dispositivo EL auto-riparabile come fabbricato. d-ii) Schema della regione di taglio, che illustra il meccanismo di autoriparazione e la configurazione di ogni strato. e) Immagine SEM dello strato di fosforo PU iniziale dal basso verso l'alto. f) Immagine SEM dello strato di fosforo in PU guarito; la ferita guarita era rappresentata dal rettangolo rosso. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
In un recente studio, scienziati dei materiali Guojin Liang e i suoi collaboratori presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali, Università della città di Hong Kong, hanno sviluppato un'autoguarigione, dispositivo elettroluminescente (EL) in grado di ripararsi o guarirsi da solo dopo un danno. Ispirato dalla capacità di autoguarigione dei sistemi biologici, il nuovo processo apre la strada a una serie di nuove applicazioni elettroniche. Sebbene i dispositivi EL siano generalmente utilizzati nei display digitali, retroilluminazione per pannelli di controllo ed elettronica indossabile, sono soggetti a danni. La fragilità può limitare la vita lavorativa del dispositivo, sostenibilità e affidabilità per applicazioni elettroniche a lungo termine.
Il primo dispositivo EL autorigenerante sviluppato nello studio è stato costruito utilizzando un idrogel di acido poliacrilico autorigenerante modificato per elettrodi, accoppiato a poliuretano autorigenerante come ospite di fosforo per isolamento elettrico. Gli scienziati hanno dimostrato che le proprietà fisiochimiche del ripristino del dispositivo potrebbero essere mantenute anche dopo aver subito danni catastrofici. Tali sistemi EL avranno nuove ed entusiasmanti applicazioni di prossima generazione come idrogel curativi e polimeri dielettrici in dispositivi indossabili. L'opera è ora pubblicata su Luce:scienza e applicazioni .
Le prestazioni luminescenti dei dispositivi EL autorigeneranti sono state recuperate con un'elevata efficacia di guarigione nello studio. Il concetto potrebbe essere trasferito alla guarigione tra dispositivi per realizzare un processo di assemblaggio concettuale simile a LEGO in dispositivi a emissione di luce. Attraverso il processo di progettazione e ingegnerizzazione di dispositivi EL autorigeneranti, gli scienziati miravano a rilanciare le loro prestazioni espandendo la loro vita, anche dopo che il materiale è stato tagliato a metà. Liang et al. si aspettano che tali dispositivi EL autorigeneranti sviluppati utilizzando idrogel curativi ionicamente conduttivi e polimeri dielettrici servano come sistema modello per applicazioni elettroluminescenti.
I dispositivi elettroluminescenti (EL) hanno applicazioni in sistemi e discipline versatili, tra cui la robotica morbida, come attuatori della pelle artificiale; nell'elettronica flessibile, elettronica indossabile, display digitali e come sensori. I progressi nella scienza dei materiali hanno portato a dispositivi EL multifunzionali squisitamente progettati e sviluppati utilizzando trasparenti, materiali conduttivi che integrano robotica morbida ispirata alla biologia e configurazioni di dispositivi ottimizzate. Esempi inclusi:
Sebbene i processi di ingegneria meccanica abbiano sviluppato dispositivi robusti con materiali robusti, per configurazioni di dispositivi che riducono al minimo la sollecitazione, se la deformazione supera il limite di resistenza, non è possibile evitare il degrado delle prestazioni del dispositivo. La manutenzione e la sostituzione di tali componenti difettosi in integrato, i sistemi elettronici multifunzionali sono intrattabili o costosi, e rimane una preoccupazione primaria. Lo sviluppo di una strategia efficace può prolungare in modo significativo la durata dei dispositivi EL.
Caratterizzazione del dispositivo EL. a–c) Immagini dei processi di autoriparazione degli strati dei componenti EL e del dispositivo (strato PAA—a, Strato composito PU—b, e dispositivo EL-c). In questi processi, i) mostra gli stati iniziali, ii) mostra gli stati di taglio, iii) mostra gli stati guariti, iv) mostra gli stati di guarigione appendendo un peso, e il rettangolo rosso indica le ferite guarite. Il peso è 10 g di massa. d) Conducibilità ionica del conduttore PAA dopo più tempi di taglio-guarigione. e) Capacità dielettrica dello strato di fosforo PU dopo più tempi di taglio-guarigione. f) Resistenza meccanica del dispositivo EL dopo più tempi di taglio-guarigione. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
Nello studio, i materiali autorigeneranti sono stati progettati e sviluppati con caratteristiche di guarigione intrinseche o estrinseche, simile agli esperimenti precedenti. Le attuali caratteristiche consentono la riparazione autonoma dei danni, anche sotto stimoli esterni come pH, leggero, campi elettrici o magnetici dopo un danno esteso. Le proprietà curative esistono a livello del materiale, ma sono in corso miglioramenti per aumentare la durata e l'affidabilità del dispositivo. La maggior parte delle precedenti prestazioni di autoriparazione era applicabile anche solo a livello di un singolo strato costituente in un dispositivo EL multistrato, dove gli strati rimanenti sono stati riparati manualmente tramite piccole patch.
Per affrontare le limitazioni esistenti, Liang et al. adottato idrogel di acido poliacrilico (PAA) modificato autorigenerante contenenti cloruro di sodio (NaCl) come elettrodo ionico. Quindi hanno incluso particelle di solfuro di zinco (ZnS) contenenti poliuretano (PU) autorigenerante come strato composito di fosforo per dimostrare il primo dispositivo EL autorigenerante ottimizzato per natura nello studio. Oltre alla guarigione dei danni da frattura, anche la guarigione inter-dispositivo è stata ripristinata per la prima volta per consentire l'assemblaggio in stile LEGO a livello del dispositivo EL. Lo studio ha semplificato processi complessi e costosi di riparazione e sostituzione nei sistemi elettronici integrati.
Dispositivo EL autorigenerante. Gli scienziati dimostrano il dispositivo EL autorigenerante attraverso lo stato di funzionamento iniziale e dopo il taglio, guarigione e stato di lavoro rianimato. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
Gli idrogel a base di polimeri (strato PAA e strato composito PU) sono stati sviluppati a livello molecolare per ottenere il carattere fisico-chimico desiderato. Un idrogel è stato progettato per realizzare simultaneamente i tratti desiderati di trasparenza alla luce visibile, conducibilità ionica e autorigenerazione. L'idrogel PAA conteneva NaCl (4M) distribuito uniformemente per ottenere una trasmittanza media del 96,5% per la trasparenza nell'intervallo della luce visibile e un'elevata conduttività ionica di 2,1 S/m. I gruppi carbossilici sullo scheletro PAA hanno trasferito la capacità di autoriparazione all'idrogel tramite il legame idrogeno.
L'isolante elettricamente, Lo strato composito di fosforo emettitore di luce e autorigenerante conteneva PU modificato con gruppi carbossilici per legare le particelle di fosforo (ZnS). Gli scienziati hanno utilizzato nanofogli di nitruro di boro (BN) per aumentare la permittività dielettrica e migliorare la luminescenza dello strato composito. Il dispositivo EL finale comprendeva una configurazione a tre strati. I materiali sono stati valutati mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) dopo la fabbricazione e dopo la risposta al danno/guarigione. Il carattere fisico-chimico del materiale multistrato è stato ripristinato dopo il danno.
Caratterizzazione della risposta di guarigione iniziale:prestazioni di emissione di luce del dispositivo EL autorigenerante dopo il processo di guarigione da taglio. a Dimostrazione del processo di taglio-guarigione del dispositivo EL guaribile. a-i–a-iii mostra lo stato di funzionamento iniziale, stato tagliato, e rianimato stato di lavoro, rispettivamente, dopo la guarigione. a-iv mostra lo stato di funzionamento della piegatura del dispositivo EL guarito. b Caratteristiche luminanza-tensione del dispositivo EL per gli stati iniziale e guarito. c Distribuzione del campo elettrico attraverso lo strato di fosforo, dove la barra dei colori rappresenta l'intensità del campo elettrico. d Immagine ingrandita di una regione contrassegnata in c, dove le lunghezze e le direzioni delle frecce rappresentano i valori e le direzioni, rispettivamente, del campo elettrico adiacente alla regione di guarigione. e La variazione di valore dei campi elettrici in funzione della distanza dal punto di guarigione, dove ΙEΙ rappresenta i valori dei campi elettrici ridistribuiti e ΙE0Ι rappresenta il valore originario dei campi elettrici distribuiti prima del processo di taglio-guarigione. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
Il dispositivo EL conteneva lo strato di fosforo composito (composto da PU/ZnS/BN) racchiuso da due conduttori ionici trasparenti simmetrici (a base di PAA-NaCl). La morfologia di ogni strato/componente è stata caratterizzata utilizzando SEM ad emissione di campo e immagini ottiche. Il ripristino della resistenza meccanica dopo la guarigione di ogni strato è stato valutato appendendo un peso. Le conducibilità ioniche misurate con la spettroscopia di impedenza elettrochimica (EIS) hanno mostrato un ripristino completo rispetto al valore iniziale, anche dopo 10 cicli di taglio-guarigione.
Come prova del principio di funzionamento, gli scienziati hanno anche osservato la rinascita di un circuito a diodi emettitori di luce (LED) dopo i cicli di guarigione del taglio del materiale conduttore. La capacità dello strato dielettrico è rimasta pressoché costante dopo diversi cicli di guarigione, indicando che l'intensità dell'emissione di luce e la tensione distribuita sono rimaste pressoché costanti dopo la guarigione. Le proprietà meccaniche del dispositivo EL guarito hanno indicato il ripristino sia della resistenza alla trazione che del modulo di Young al punto di rottura del dispositivo, anche dopo 10 cicli di taglio-guarigione.
Processo di assemblaggio LEGO di dispositivi EL autorigeneranti. a) Un dispositivo EL completo è stato tagliato in due singole unità EL. a-i) indica lo stato di riposo iniziale, a-ii) lo stato di lavoro, e a-iii) lo stato di taglio. b) Le due unità EL così ottenute funzionanti. c) I due dispositivi EL ottenuti sono stati assemblati in una lettera a emissione di luce "T". d) I caratteri luminosi assemblati come "CITYU" con diverse unità EL. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-018-0096-8.
Gli scienziati hanno anche dimostrato lo stato di funzionamento iniziale, stato di taglio e stato di guarigione (lavoro dopo la guarigione) guidato dalla progettazione razionale sia per i materiali che per il dispositivo. Il successo del rilancio delle prestazioni di emissione della luce del dispositivo EL ha indicato il ripristino delle proprietà fisico-chimiche e meccaniche in ogni strato funzionale. I dati sperimentali si adattano bene all'equazione derivata nello studio sia per lo stato di lavoro iniziale che per lo stato di guarigione.
Sulla base dell'eccezionale capacità di guarigione dei dispositivi EL, gli scienziati hanno assemblato alcune unità EL in un sistema EL integrato per costruire un insieme LEGO di dispositivi emettitori di luce. Per farlo in laboratorio, il dispositivo EL è stato tagliato a metà per creare EL1 ed EL2, ed entrambe le unità hanno funzionato senza alcun degrado visibile nella luminescenza. Durante il processo di assemblaggio LEGO, gli scienziati hanno implementato due unità EL per formare una lettera a emissione di luce a forma di T, con funzionalità visibile sulla guarigione. Inoltre, gli scienziati hanno assemblato i materiali per formare parole con emissioni di luce colorata utilizzando particelle di fosforo ZnS drogate con elementi diversi.
Lo studio è stato il primo a riportare l'assemblaggio arbitrario simile a LEGO di dispositivi EL, dove tutti gli strati funzionali potrebbero essere guariti. Il nuovo design può essere applicato per sviluppare ionicamente conduttivo, idrogel curativi come elettrodi trasparenti e polimeri dielettrici curativi con strati isolanti di fosforo. Tali materiali avranno applicazioni avanzate per costruire la prossima generazione di indossabili, elettronica deformabile e autorigenerante.
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