Stel je een flexibel digitaal scherm voor dat zichzelf geneest als het barst, of een lichtgevende robot die overlevenden lokaliseert in het donker, gevaarlijke omgevingen of voert landbouw- en ruimteverkenningstaken uit. Een nieuw materiaal ontwikkeld door een team van NUS-onderzoekers zou deze ideeën kunnen omzetten in realiteit.

Het nieuwe rekbare materiaal, bij gebruik in lichtemitterende condensatorapparaten, maakt een goed zichtbare verlichting mogelijk bij veel lagere bedrijfsspanningen, en is ook bestand tegen schade door zijn zelfherstellende eigenschappen.

Deze innovatie, genaamd de HELIOS (wat staat voor Healable, Low-field Illuminating Optoelectronic Stretchable) apparaat, werd bereikt door assistent-professor Benjamin Tee en zijn team van het NUS Institute for Health Innovation &Technology en NUS Materials Science and Engineering. De resultaten van het onderzoek werden voor het eerst gerapporteerd in Natuurmaterialen op 16 december 2019.

Duurzaam, low-power materiaal voor next-gen elektronische wearables en zachte robots

"Conventionele rekbare opto-elektronische materialen vereisen hoge spanning en hoge frequenties om zichtbare helderheid te bereiken, wat de draagbaarheid en de levensduur beperkt. Dergelijke materialen zijn ook moeilijk veilig en stil aan te brengen op mens-machine-interfaces, " verklaarde Asst Prof Tee, die ook van NUS Electrical and Computer Engineering is, N.1 Institute for Health en het Hybrid Integrated Flexible Electronic Systems-programma.

Om deze uitdagingen te overwinnen, het team van vijf NUS-onderzoekers begon in 2018 met het bestuderen en experimenteren met mogelijke oplossingen, en ontwikkelde uiteindelijk HELIOS na een jaar.

Om de elektronische bedrijfsomstandigheden van rekbare opto-elektronische materialen te verlagen, het team ontwikkelde een materiaal met een zeer hoge diëlektrische permittiviteit en zelfherstellende eigenschappen. Het materiaal is een transparante, elastische rubberen laag bestaande uit een unieke mix van fluorelastomeer en oppervlakteactieve stof. De hoge diëlektrische permittiviteit maakt het mogelijk om meer elektronische ladingen op te slaan bij lagere spanningen, waardoor een hogere helderheid mogelijk is bij gebruik in een lichtgevend condensatorapparaat.

In tegenstelling tot bestaande rekbare lichtemitterende condensatoren, HELIOS-compatibele apparaten kunnen inschakelen bij spanningen die vier keer lager zijn, en bereik een verlichting die meer dan 20 keer helderder is. Het bereikte ook een verlichting van 1460 cd/m ² bij 2,5 V/µm, de helderste die tot nu toe is bereikt door rekbare lichtemitterende condensatoren, en is nu vergelijkbaar met de helderheid van schermen van mobiele telefoons. Door het lage stroomverbruik, HELIOS kan een langere levensduur bereiken, veilig worden gebruikt in mens-machine-interfaces, en draadloos worden gevoed om de draagbaarheid te verbeteren.

HELIOS is ook bestand tegen scheuren en perforaties. De omkeerbare bindingen tussen de moleculen van het materiaal kunnen worden verbroken en hervormd, waardoor het materiaal zichzelf kan genezen onder omgevingsomstandigheden.

Het beschrijven van de potentiële impact van HELIOS, Asst Prof Tee zei:"Licht is een essentiële manier van communicatie tussen mens en machine. Naarmate mensen steeds afhankelijker worden van machines en robots, het is enorm waardevol om HELIOS te gebruiken om 'onoverwinnelijke' lichtgevende apparaten of displays te maken die niet alleen duurzaam maar ook energiezuinig zijn. Dit kan op lange termijn kostenbesparingen opleveren voor fabrikanten en consumenten, het verminderen van elektronisch afval en energieverbruik, en op zijn beurt, geavanceerde displaytechnologieën in staat stellen zowel portemonnee- als milieuvriendelijk te worden."

Bijvoorbeeld, HELIOS kan worden gebruikt om duurzame draadloze displays te maken die schadebestendig zijn. Het kan ook fungeren als een verlichtende elektronische huid voor autonome zachte robots die kunnen worden ingezet voor slimme binnenlandbouw, ruimtemissies of rampgebieden. Met een laag vermogen, zelfherstellende, oplichtende huid zorgt voor veiligheidsverlichting zodat de robot in het donker kan manoeuvreren terwijl hij gedurende langere tijd operationeel blijft.

Het NUS-team heeft patent aangevraagd voor het nieuwe materiaal, en wil de technologie voor speciale verpakkingen opschalen, veiligheidslichten, draagbare apparaten, automotive en robotica toepassingen.