Oltre all'elettronica flessibile, che può essere deformata in forme curvilinee 3D attraverso sollecitazioni meccaniche passive, l'elettronica riconfigurabile nella forma rappresenta una promessa significativa come prossima generazione di dispositivi elettronici.
Poiché l’elettronica continua a miniaturizzare, le limitazioni spaziali ostacolano la deformazione meccanica passiva, rendendo necessario il contatto fisico e l’inclusione di fonti di energia ingombranti e pesanti come le batterie. Per affrontare i limiti intrinseci dei sistemi miniaturizzati, i materiali utilizzati nell'elettronica riconfigurabile dalla forma rispondono attivamente a stimoli esterni, come temperatura, luce ed elettricità, ed eseguono l'attuazione programmata.
Questi materiali, definiti materiali che rispondono agli stimoli, possono essere considerati dotati di "intelligenza fisica" codificata al loro interno. Questi materiali fisicamente intelligenti fungono da piattaforma per l'elettronica riconfigurabile nella forma, poiché possono trasformare attivamente la loro forma in varie forme 3D e cambiare la posizione del corpo attraverso l'attuazione reversibile.
Guidati da Jeong Jae Wie, professore associato presso il Dipartimento di ingegneria organica e nanometrica dell'Università di Hanyang, i ricercatori hanno introdotto un nuovo concetto di elettronica riconfigurabile in forma basata su elastomeri a cristalli liquidi codificati dall'intelligenza fisica, che hanno dimostrato la locomozione su richiesta, incluso strisciare, saltare e lanciare con la fionda piccoli oggetti.
Uno di questi promettenti materiali fisici intelligenti è l'elastomero a cristalli liquidi (LCE), un materiale ben noto per la sua applicazione nei display a cristalli liquidi (LCD). Oltre al suo utilizzo come materiale di visualizzazione, l'allineamento programmabile delle molecole cristalline liquide anisotrope consente la riconfigurazione della forma controllata dalla direzione, espandendo il suo potenziale come piattaforma per l'elettronica riconfigurabile nella forma quando LCE è combinato con altri riempitivi conduttivi.
In questo studio, pubblicato su Nano Energy , il gruppo di ricerca ha integrato con successo LCE con un Ti3 altamente conduttivo C2 Tx MXene, formando una struttura a doppio strato. MXene appartiene a una nuova famiglia di materiali 2D noti per la loro notevole conduttività elettrica e l'elevata efficienza di conversione fototermica.
Attraverso un processo di fotopolimerizzazione in situ personalizzato, MXene è stato effettivamente trasferito allo strato LCE senza alcun danno o delaminazione fisica.
Lo strato MXene ha uno spessore di 370 nm, ovvero 133 volte più sottile dello strato LCE, con conseguente bassa rigidità alla flessione del doppio strato e consentendo elevate prestazioni di attuazione. Inoltre, il doppio strato LCE/MXene appena formato, denominato MLB, mostra una conduttività elettrica notevolmente elevata di circa ~5.300 S cm -1 , consentendo all'MLB di alimentare i LED. L'MLB dimostra anche capacità di attuazione foto/elettrotermica sotto irradiazione di luce nel vicino infrarosso e con applicazioni di tensione inferiori a 3,5 V.
Per ottenere diverse riconfigurazioni di forma e locomozione con MLB, sono state introdotte strutture assemblate collettivamente, tenendo conto della simmetria dell'assemblaggio.
Gli MLB assemblati simmetricamente hanno dimostrato forme a S, W, a forma di fiore e struttura chirale inversa. Inoltre, gli MLB assemblati asimmetricamente hanno mostrato scansione direzionale e rotazione con aggiustamenti alla lunghezza e all'allineamento molecolare delle unità MLB costituenti.
Gli MLB assemblati asimmetricamente presentavano un centro di massa in continuo spostamento durante la loro attuazione, portando alla locomozione direzionale. Ispirati dall'instabilità a scatto, questi MLB assemblati eseguivano anche movimenti di salto e tiri con la fionda di piccoli oggetti. Per questo, il gruppo di ricerca ha recentemente introdotto un telaio di carta rigido e una struttura assemblata in modo alternativo, che vincolava artificialmente la riconfigurazione della forma degli MLB assemblati e quindi immagazzinava efficacemente l’energia elastica risultante. Questa energia elastica immagazzinata è stata poi convertita in energia meccanica tramite snap-through, portando infine a movimenti rapidi ed esplosivi di salto e tiro con la fionda da parte dell'MLB assemblato.
Woongbi Cho, il primo autore dell'articolo, osserva:"La multifunzionalità è un componente chiave per l'elettronica di prossima generazione e la diversità geometrica consente all'elettronica riconfigurabile nella forma di eseguire attuazione e locomozione multimodali."
Parlando dell'MLB, il professor Wie ha aggiunto:"L'elettronica riconfigurabile nella forma basata sull'elastomero a cristalli liquidi e MXene estende con successo l'applicazione dei polimeri cristallini liquidi. Riteniamo che questa tecnica possa fornire informazioni su piattaforme riconfigurabili nella forma che possono essere applicate in vari campi compresi dispositivi di accumulo dell'energia, antenne e sistemi robotici miniaturizzati."
Ulteriori informazioni: Woongbi Cho et al, Locomozione multifunzionale di componenti elettronici riconfigurabili in forma collettivamente assemblati, Nano energia (2023). DOI:10.1016/j.nanoen.2023.108953
Informazioni sul giornale: Nanoenergia
Fornito dall'Università di Hanyang
