Вчені створили рідкий металевий композит для м'якої електроніки, який може пережити розтягування до 1200 відсотків з мінімальною зміною електричного опору, відновитися після пошкоджень та піддається повній переробці для нових пристроїв після кінця строку роботи. Композит перетворюється на електронний елемент за допомогою тиснення рідкометалевих мереж, завдяки чому можна додатково налаштовувати механічні та електричні властивості. Свою роботу вчені опублікували у Communications Materials.
Virginia Tech
Як захистити м'яку електроніку?
М'яка електроніка розширює можливості техніки разом із нашими, з'являється можливість позбавитися складних конструкцій та створювати більш функціональних роботів. Електронні пристрої з часом стають все меншими і легшими, а тому їм все частіше вдається інтегруватися у навколишнє середовище і взаємодіяти з людьми. Однак, разом зі зникненням жорсткого зовнішнього покриття створює типову для інженерів дилему - пошук компромісу між міцністю і піддатливістю. Матеріали мають бути одночасно міцними, жорсткими і витримувати навантаження, а також механічно гнучкими і вміти деформуватися. М'яка електроніка не може використовувати традиційні засоби захисту, тому є дуже вразливою до зовнішніх умов.
Одним зі способів захистити її є використання твердо-рідких композитів на основі рідких металів - вони не гірше за електронні чорнила забезпечують гнучкість, та при цьому є достатньо надійними, щоб витримувати ремонт та навіть самовідновлюватися. З окремих крапель металу створюють струмопровідні доріжки за допомогою техніки лазерного спікання або тиснення. Однак, все ж під час деформації у них значно збільшується електричний опір, а створені з них електросхеми складно реконфігурувати, бо вони не повністю повертаються в електрично ізоляційний стан. Таким чином, для створення стійких м'яких електронних і роботизованих систем необхідні матеріали, які можуть створювати міцні провідники, які легко розтягуються та можуть реконфігуруватися і, що дуже важливо, піддаються повторній переробці.
Деформація плівки. Ravi Tutika et al. / Nature Communications, 2021
Як цього досягли вчені?
У своїй роботі інженери розробили рідкий метал-пластифікатор для м'якої електроніки, який наноситься за допомогою техніки тиснення для формування рідкометалевих мереж, які можуть бути перероблені для повторного монтажу. Це подібна до електронної шкіри плівка, яка вміє розтягуватися до 1200 відсотків з мінімальною зміною електричного опору, витримує численні ушкодження під навантаженням без втрати електропровідності і перероблюється для створення нових пристроїв в кінці терміну служби. Причому перероблена плівка також майже не втрачає своїх еластичних та електронних властивостей. Поки метал наносили краплями мікронного розміру, однак, за словами вчених, можна додатково налаштувати механічні та електричні властивості, змінивши розмір частинок. Збільшувати розмір можливо обробкою ультразвуком або обробляти матеріали у вигляді емульсій.
Трансформація мікроструктури рідкого металу. Мережа частинок під час проходження струму, самовідновлення, реконфігурації та у переробленому матеріалі.
Як вона самовідновлюється?
Оскільки у суворих умовах зовнішнього середовища здатність до самовідновлення є важливою властивістю, яка значно зекономить інженерні зусилля та полегшить експлуатацію, вчені вирішили чотири рази проштрихнути свій пристрій. Протягом всього процесу пошкодження він продовжував зберігати високу здатність до деформації - 950 відсотків. На всіх етапах розтягувань і утворення дірок на плівці, навіть при видаленні значних частин композиту по лінії тиснення, не було жодної втрати електричної функціональності. Це пов'язане із миттєвою здатністю до самовідновлення мережі рідкого металу, яка автономно реконфігурується для утворення нових зв'язків між частинками навколо пошкодженої ділянки. Так плівка підтримує постійну електричну провідність.
Також здатність цього полімеру у толуолі дає змогу повністю стерти візерунок схеми, а потім сформувати новий електропровідний шар для зміни конфігурації схеми. Розчинник локально розділяє сітку рідкого металу під час обробки, а тому під час експериментів, підключений через дві доріжки з кожного боку світлодіод змогли знову увімкнути через заново нанесену рідкометалеву доріжку на місці стертої. Це демонструє важливу здатність композитної системи змінюватися без руйнування та перероблятися у тому ж розчиннику - розчинену емульсію можна заново відлити в плівки у тих же умовах, що й вихідний композит.
Зміна мікроструктури крапель рідкого металу при переробці. Ravi Tutika et al. / Nature Communications, 2021