science >> Wetenschap >  >> Chemie

Zelfherstellende elastomeren van vloeibaar metaal

Robuuste geleidende sporen creëren. (a) Schema's om het proces van reliëfdruk te illustreren, waar discrete isolerende druppeltjes vloeibaar metaal selectief worden gebosseleerd om een ​​verbonden geleidend netwerk te vormen. (b) Optische microfoto van een reliëfgebied toont de noodlijdende composiet, die elektrisch geleidend is, schaalbalk - 250 m. (c) Reliëfpatroon in de vorm van letters L en M met ingewikkelde lijnen en verbindingen (schaalbalk - 10 mm). (d) Een plot van R/R0 vs. toegepaste spanning op een geleidend spoor (ϕ = 60%, δ = 10%). De rode curve toont de voorspelde R/R0-toename met toegepaste spanning voor een metalen geleider, terwijl het geleidende spoor van vloeibaar metaal in reliëf (blauwe curve) een constante of een vermindering van R/R0 vertoont (0,56 bij 1200% rek vergeleken met 169 voor de voorspelling). De inzet toont afbeeldingen van een niet-gespannen monster en een monster met 1200% rek (schaalbalk – 50 mm). Krediet:communicatiemateriaal van de natuur, 10.1038/s43246-021-00169-4

Er is steeds meer vraag naar zachte elektronica voor uiteenlopende toepassingen, maar ze missen stevige behuizingen en zijn daarom vatbaar voor voortijdige verwijdering na elektronische toepassingen. Het is daarom noodzakelijk om zachte en rekbare materialen te maken met veerkrachtige en regeneratieve eigenschappen. Huidachtige elektronica die tot 1200 procent spanning kan uitrekken met minimale verandering in elektrische weerstand, kan elektrische geleidbaarheid behouden. In een nieuwe studie, Ravi Tutika en collega's in Werktuigbouwkunde in de V.S., ontwikkelde zachte composieten met adaptieve microstructuren van vloeibaar metaal voor uiteenlopende toepassingen in de praktijk.

Biologisch geïnspireerde toepassingen in het lab.

Zachte elektronica vormt belangrijke componenten in opkomende gebieden, waaronder draagbare elektronica om aanhoudende schade te voorkomen en om afstembare systemen te creëren die verschillende toepassingsruimten overleven. Robuuste elektronica is zelfherstellend en bestand tegen schade; daarom, onderzoekers streven naar regeneratieve functies voor biologisch geïnspireerde, recyclebare toepassingen in het lab. Wetenschappers hebben al tijdelijke elektronica ontwikkeld die na verloop van tijd oplost met geleiders met een geometrisch patroon voor rekbaarheid. Elektronica op basis van vloeibaar metaal kan ook handmatig worden gerepareerd en gevormd met behulp van discrete vloeibare metalen druppeltjes met krassen/schrijven of lasersinteren. In dit werk, Tutika et al. ontwikkelde een vloeibaar metaal-elastomeer composiet als een regeneratief zacht platform door de microstructuur van de vloeibare metalen druppel te herconfigureren. De regeneratieve elektronica die in dit werk is ontwikkeld, presenteert een afstembaar platform voor veerkrachtige en recyclebare circuits met diverse toepassingen.

Vloeibare metaalcomposieten voor regeneratieve elektronica. (a) Een vloeibaar metaalcomposiet gedemonstreerd als een enkelvoudig systeem voor zachte circuits met robuuste, zelfherstelbare geleidende sporen met spanningsinvariante weerstand op verschillende weerstandsniveaus. Ongespannen en gerecyclede monsters laten zien dat de LED's functioneren vóór het uitrekken en na recycling (schaalbalken - 10 mm). Materiaalsamenstelling ϕ = 60%, δ = 20%. (b) Schema's tonen de transformatie van de microstructuur van vloeibaar metaal om de bovenstaande mogelijkheden mogelijk te maken - rek-invariante weerstand van een geleidend spoor gecreëerd door reliëf om een ​​netwerk van vloeibare metaaldeeltjes te vormen. Schadetolerante sporen door een autonome herconfiguratie van verbindingen van vloeibare metaaldeeltjes voor zelfherstellende elektronica. Hervormbare sporen worden mogelijk gemaakt door een eerder gevormd netwerk van vloeibaar metaal te wissen en een nieuw netwerk te creëren via een methode voor het wissen van oplosmiddelen. Multi-use zachte circuits door het composiet op te lossen, die alle vloeibare metalen netwerken en elektrische sporen wist, en recycling voor gebruik in nieuwe toepassingen. Krediet:communicatiemateriaal van de natuur, 10.1038/s43246-021-00169-4

Het materiaal ontwikkelen

Om het elastomeer voor te bereiden, Tutika et al. toegevoegd polybutadieen (PBD) als weekmaker voor mechanische en reliëfeigenschappen. De weekmaker vertoonde verschillende belangrijke kenmerken, waaronder een zacht, zeer kneedbaar, stevige microstructuur met recyclebare eigenschappen. Het team gebruikte een oplossingsverwerkingsbenadering om de vaste pellets op te lossen in tolueen en voegde vervolgens weekmaker toe aan de mix. Ze voegden ook vloeibaar metaal toe aan de oplossing om een ​​samensmelting van vloeibare metaaldruppeltjes van microngrootte te creëren. Het team berekende vervolgens de initiële elektrische geleidbaarheid van de opstelling en benadrukte de elektrische prestaties van de composietgeleiders. Door de synchrone opstelling konden ze de weerstand en toegepaste belasting afstemmen. De methode vergemakkelijkte de ontwikkeling van zeer rekbare weerstanden met een bijna constante weerstand. Om hun functie te demonstreren, Tutika et al. creëerde ook een LED-circuit en koppelde de composieten aan stijve elektrische componenten.

  • Elektromechanische eigenschappen van de zachte geleidende sporen. (a) Een plot en schema illustreren de embossing-procedure met feedbackcontrole. (b) Een grafiek van weerstand versus toegepaste trekspanning van drie verschillende geleidende sporen in reliëf op weerstanden R  = 10 Ω, 100 Ω, en 1 kΩ (ϕ = 60%, δ = 20%). De inzet toont een foto van reliëfsporen waarbij R1 = 100 Ω en R2 = 10 Ω worden gebruikt als weerstanden om de LED-helderheid te wijzigen (schaalbalk – 5 mm). (c) Trekmodulus en (d) rek bij breuk van een ongevuld elastomeer, ongerept (zonder reliëf), en reliëfcomposiet. (e) Uitrekken van een LED geïntegreerd met reliëfsporen (schaalbalk - 10 mm). (f) Een composiet met ϕ = 50% gebruikt om een ​​LED-circuit te maken om de robuustheid van de sporen in bedrijf te illustreren - buigen, vouwen, draaien, en uitrekken (schaalbalk - 10 mm). Foutbalken geven standaarddeviaties aan voor n =  3. Credit:Nature Communications Materials, 10.1038/s43246-021-00169-4

  • Robuuste werking en dynamische zelfgenezing. (a) Plot toont het robuuste cyclische gedrag van de composiet over 1000 cycli, elk tot een 100% stam. (b) Plot van R/R0 vs. tijd in een cyclische test van drie cycli bij elke stap tot een stam van 1000% in stappen van 100% stam (arcering geeft de drie cycli aan bij een bepaalde stam), inzet toont het toegepaste rekprofiel vs. tijd. (c) Hole-punch-test tijdens spanning toont het dynamische zelfherstellende vermogen. Een grafiek van R/R0 met betrekking tot rek en tijd toont de vermindering van weerstand, maar vertoont geen verlies in elektrische geleidbaarheid. De samenstelling voor alle monsters in deze figuur is ϕ = 60%, δ = 10%. Krediet:communicatiemateriaal van de natuur, 10.1038/s43246-021-00169-4

Robuuste functionaliteit van het composietmateriaal

De wetenschappers gebruikten de materialen vervolgens om geleidende sporen af ​​te leiden en om trekproeven uit te voeren. De resultaten benadrukten de in reliëf gemaakte geleidende sporen als veelbelovende kandidaten voor zachte circuitbedrading, het materiaal vertoonde ook zelfherstellende eigenschappen in ruige omgevingen vanwege zijn robuustheid. Om het zachte circuit te bouwen, het team gebruikte geleidende sporen gemaakt op een composietvel van vloeibaar metaal-elastomeer-weekmaker op vooraf bepaalde locaties met 3D-geprinte mallen. Tijdens de experimenten, Tutika et al. toonde aan hoe de constructies elektrische geleidbaarheid en mechanische sterkte behielden. Door de oplosbare aard van het polymeer in tolueen kon het circuit opnieuw worden geconfigureerd voor praktische toepassingen met LED-lichtbronnen. De opstelling vormde een belangrijk kenmerk van het niet-destructieve composietsysteem. De thermoplasticiteit van het materiaal in combinatie met de vloeibare aard van het metalen materiaal maakte het ook mogelijk voor Tutika et al. om de composieten effectief te recyclen en opnieuw te gebruiken. De gerecyclede monsters waren elektrisch isolerend, en ze kunnen worden gerecycled als composieten om elektrische circuits te creëren. Het team toonde deze mogelijkheid door functionele LED-circuits te creëren om de betrouwbaarheid van elektrische verbindingen in de ongerepte, recyclebare materiaalmonsters.

Herconfiguratie en recycling van vloeibaar metaal zacht composiet. (a) Schema's en foto's die het herconfiguratieproces van een geleidend spoor tonen door middel van oplosmiddelwissing in een composiet met ϕ = 60%, δ =20%, schaalstaven - 10 mm. (b) Stress-rekcurves van de ongerepte, en gerecyclede monsters die een hoger stressniveau voor de ongerepte tonen. (c) Optische microfoto's tonen de verandering in de microstructuur van vloeibare metalen druppeltjes met recycling en de LED's vertonen geen verlies van elektrische functionaliteit in een composiet met ϕ = 60%, δ = 10% ​​(schaalbalk voor microfoto's - 100 m en afbeeldingen - 10 mm). Krediet:communicatiemateriaal van de natuur, 10.1038/s43246-021-00169-4

Outlook

Op deze manier, Ravi Tutika en collega's ontwikkelden zelfherstellende en recyclebare zachte elektronica die kan worden uitgerekt tot hoge spanningen voor robuuste functionaliteiten in opkomende gebieden van zachte en rekbare elektronica. Het onderzoek is relevant voor zachte functionele materialen, waar een enkel multifunctioneel composietsysteem eigenschappen voor zachte elektronica kan behouden, inclusief robuuste rekbaarheid, genezend vermogen en recycleerbaarheid. Tijdens de ontwikkeling van de materiaalconstructies, het team gebruikte unieke insluitsels in de vloeibare fase om de microstructuur van het materiaal opnieuw te configureren en robuuste netwerken van vloeibaar metaal te vormen om veerkrachtige en regeneratieve elektronica te bouwen. Het materiaal is ook toepasbaar voor diverse functionaliteiten, materiaalwetenschappers in staat stellen elektronisch afval te verminderen en tegelijkertijd de recycleerbaarheid te verbeteren.

© 2021 Science X Network




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Waar is mensenhaar van gemaakt?
  2. Ingewikkelde ijsgrotten in Antarctica May Harbor Unique Life
  3. Hoe MRNA naar TRNA te vertalen
  4. Hoe een cel te splitsen in Two
  5. Functies van menselijke organen
  6. DropSynth, een eenpotsbenadering van gensynthese
  7. Geen toverstaf nodig:wetenschappers stellen een manier voor om elke cel in een ander celtype te veranderen
  8. Japanse wetenschappers kweken medicijnen in kippeneieren
  9. Honden snuffelden vroeger aan zeldzame soorten

Wetenschap