Rekbare elektronische circuits zijn van cruciaal belang voor zachte robotica, draagbare technologieën, en biomedische toepassingen. De huidige manieren om ze te maken, Hoewel, hebben hun mogelijkheden beperkt.

Een team van onderzoekers in het Yale-lab van Rebecca Kramer-Bottiglio, de John J. Lee Universitair Docent Werktuigbouwkunde &Materiaalkunde, heeft een materiaal- en fabricageproces ontwikkeld dat deze apparaten snel rekbaarder kan maken, duurzamer, en dichter bij klaar zijn voor massaproductie. De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen .

Een van de grootste uitdagingen voor dit gebied van elektronica is om rekbare geleiders op betrouwbare wijze te verbinden met de stijve materialen die worden gebruikt in in de handel verkrijgbare elektronische componenten, zoals weerstanden, condensatoren, en light-emitting diodes (LED's).

"Het probleem is dat het moeilijk is om iets zachts te verbinden met iets stijfs, " zei Shanliangzi Liu, hoofdauteur van het artikel en een voormalig Ph.D. student in het laboratorium van Kramer-Bottiiglio. Wanneer de rekbare materialen buigen en verlengen, een grote schuifkracht ontwikkelt zich op de interface en scheurt vaak de verbinding uit elkaar om het circuit onbruikbaar te maken.

Een materiaal dat bekend staat als eutectisch gallium-indium (eGaIn), die bij kamertemperatuur een vloeibare vorm behoudt, is gebruikt voor verbindingen in rekbare elektronica, maar de hoge oppervlaktespanning zorgt ervoor dat het niet goed aansluit op stijve componenten. Er zijn verschillende strategieën gebruikt om dit probleem te omzeilen, maar ten koste van het beperken van de rekbaarheid en duurzaamheid van de resulterende circuits.

Het laboratorium van Kramer-Bottiglio koos een andere benadering door eGaIn-nanodeeltjes te gebruiken om een ​​nieuw materiaal te ontwikkelen - bifasisch Ga-In (bGaIn) - dat zowel vaste als vloeibare elementen bevat. Bij verhitting tot 900 graden C, een nanodeeltjesfilm van eGaIn verandert van vorm, het ontwikkelen van een dunne, vaste oxidelaag bovenop met een dikke laag vaste deeltjes ingebed in vloeibaar eGaIn. Wanneer afgepeld, het materiaal wordt overgebracht op rekbare ondergronden, vergelijkbaar met hoe tijdelijke tatoeages werken.

Met een robuuste interface tussen bGaIn en stijve elektronische componenten, het resultaat is een rekbare printplaat die even goed presteert als een conventionele, zelfs onder hoge belasting. De aanpak opent mogelijkheden om rekbare circuits te creëren voor een breed scala aan industriële toepassingen, inclusief zachte displays en slimme kledingstukken.

Om het proces te demonstreren, het team gebruikte het om een ​​aantal apparaten te bouwen, inclusief een versterkercircuit dat kan worden uitgerekt tot ten minste vijf keer de oorspronkelijke lengte, een rekbare "Yale" LED-array, en een meerlaagse signaalconditioneringsprintplaat geïntegreerd met een rekbare sensor die is bevestigd aan het oppervlak van de mouw van een overhemd van een gebruiker. De circuits werden ook aangebracht op een latexballon en "handgeschreven" op een zeer poreus schuim.

"De sleutel hier is dat het hele circuit rekbaar is, " zei co-auteur Dylan Shah, een doctoraat student in het laboratorium van Kramer-Bottiglio. "Eerdere circuits die in zachte robots werden gebruikt, hadden een combinatie van kleine gebieden die niet uitrekten, en dan rekbare gebieden. Omdat onze circuits een geleider en interface hebben die beide rekbaar zijn, ze zijn veel elastischer en flexibeler."

Voor deze studie is de onderzoekers gebruikten transferprinten, wat een handmatige stap vereist. Liu, die nu een postdoctoraal medewerker is aan de Northwestern University, zei dat een van de volgende stappen met het onderzoek is om de bGaIn-inkt aan te passen voor bedrukbaarheid, zodat het naadloos kan worden geïntegreerd in productielijnen voor geautomatiseerde circuits.