Un conduttore elastico stampato mantiene un'elevata conduttività sotto sforzo. Il diodo a emissione di luce (LED) continua a brillare brillantemente anche se allungato fino a cinque volte la sua lunghezza originale (in basso). Credito:2017 Someya Group, L'Università di Tokio.
Un conduttore elastico stampabile di nuova concezione mantiene un'elevata conduttività anche se allungato fino a cinque volte la sua lunghezza originale, dice un team di scienziati giapponesi. Il nuovo materiale, prodotto in forma di inchiostro pastoso, può essere stampato in vari modelli su tessuti e superfici in gomma come cablaggio estensibile per dispositivi indossabili che incorporano sensori, oltre a conferire funzioni simili alla pelle umana agli esterni dei robot.
Lo sviluppo di dispositivi indossabili come quelli che monitorano la salute o le prestazioni fisiche di una persona, come la frequenza cardiaca o l'attività muscolare, è attualmente in corso con alcuni prodotti già in commercio. Inoltre, con l'avvento dei robot in settori come l'assistenza sanitaria e la vendita al dettaglio, oltre alla produzione, è probabile che le future applicazioni di materiale conduttivo elastico sensibile in grado di resistere a sollecitazioni elevate dovute allo stiramento aumenteranno a un livello febbrile.
"Abbiamo visto la crescente domanda di dispositivi indossabili e robot, " afferma il professor Takao Someya della Graduate School of Engineering dell'Università di Tokyo, che ha curato lo studio in corso. "Abbiamo ritenuto che fosse molto importante creare conduttori elastici stampabili per aiutare a soddisfare l'esigenza e realizzare lo sviluppo dei prodotti, " Aggiunge.
Per ottenere un alto grado di elasticità e conduttività, i ricercatori hanno mescolato quattro componenti per creare il loro conduttore elastico. Hanno scoperto che la loro pasta conduttiva costituita da scaglie di argento (Ag) di dimensioni micrometriche, gomma fluorurata, il tensioattivo al fluoro, comunemente noto come sostanza che riduce la tensione superficiale nel liquido, e il solvente organico per dissolvere la gomma al fluoro hanno nettamente superato il conduttore elastico che avevano sviluppato in precedenza nel 2015.
Le nanoparticelle di Ag si formano semplicemente mescolando scaglie di Ag di dimensioni micrometriche con altri componenti e stampando la pasta composita, che originariamente non include le nanoparticelle. Queste nanoparticelle di Ag ad alta densità collegano la conduzione tra scaglie di Ag di dimensioni micrometriche disperse nella gomma fluorurata. Credito:2017 Someya Group, L'Università di Tokio.
Senza allungare, tracce stampate del nuovo conduttore registrato 4, 972 Siemens per centimetro (S/cm), alta conduttività utilizzando la misura comune per la valutazione della conduttanza elettrica. Quando allungato del 200 percento, o a tre volte la sua lunghezza originale, conducibilità misurata 1, 070 S/cm, che è quasi sei volte il valore del conduttore precedente (192 S/cm). Anche quando allungato del 400 percento, o fino a cinque volte la sua lunghezza originale, il nuovo conduttore ha mantenuto un'elevata conduttività di 935 S/cm, il livello più alto registrato per questa quantità di stretching.
L'ingrandimento da un microscopio elettronico a scansione (SEM) e un microscopio elettronico a trasmissione (TEM) ha mostrato che le elevate prestazioni del conduttore erano dovute all'auto-formazione di nanoparticelle di argento (Ag), un millesimo delle dimensioni dei fiocchi di Ag e disperse in modo uniforme tra i fiocchi nella gomma fluorurata, dopo che la pasta composita conduttiva è stata stampata e riscaldata. "Non ci aspettavamo la formazione di nanoparticelle di Ag, " commenta Someya sulla loro sorprendente scoperta.
Per di più, gli scienziati hanno scoperto che regolando variabili come il peso molecolare della gomma fluorurata, potrebbero controllare la distribuzione e la popolazione delle nanoparticelle, mentre la presenza di tensioattivo e il riscaldamento ne hanno accelerato la formazione e ne hanno influenzato le dimensioni.
Ogni sensore di pressione della punta delle dita montato su questo guanto è collegato a un LED. L'intensità dei LED varia in base alla pressione esercitata dai polpastrelli. Il guanto permette di accertare gradi di pressione difficilmente ottenibili solo esaminando le immagini. Credito:2017 Someya Group, L'Università di Tokio.
Per dimostrare la fattibilità dei conduttori, gli scienziati hanno fabbricato sensori di pressione e temperatura estensibili completamente stampati, in grado di rilevare la forza debole e misurare il calore vicino alla temperatura corporea e ambientale, collegati con i conduttori elastici stampabili sui tessuti. I sensori, che può essere installato facilmente mediante laminazione su superfici mediante pressatura a caldo con calore e pressione, ha preso misurazioni precise anche quando allungato del 250 percento. Questo è sufficiente per ospitare aree flessibili ad alto stress come gomiti e ginocchia su conformabili, abbigliamento sportivo aderente o giunti su bracci robotici spesso progettati per superare le capacità umane e quindi sottoposti a sollecitazioni maggiori.
Il nuovo materiale, che è durevole e adatto a metodi di stampa ad alta capacità come stencil o serigrafia che possono coprire ampie aree, indica una facile installazione, e le sue proprietà di formare nanoparticelle di Ag (che sono una frazione del costo dei fiocchi di Ag) quando stampate forniscono un'alternativa economica per realizzare un'ampia gamma di applicazioni per i dispositivi indossabili, robotica e dispositivi elettronici deformabili. Il team sta ora esplorando sostituti per i fiocchi di Ag per ridurre ulteriormente i costi, mentre stanno esaminando anche altri polimeri, come gomme non fluorate, e varie combinazioni di materiali e processi per fabbricare conduttori elastici con prestazioni simili elevate.
