In een recente studie, materiaalwetenschappers Guojin Liang en zijn collega's van het Department of Materials Science and Engineering, Stadsuniversiteit van Hong Kong, een zelfgenezend, elektroluminescent (EL) apparaat dat zichzelf kan herstellen of genezen na schade. Geïnspireerd door het zelfgenezend vermogen van biologische systemen, het nieuwe proces maakt de weg vrij voor een reeks nieuwe elektronische toepassingen. Hoewel EL-apparaten doorgaans worden gebruikt in digitale displays, achtergrondverlichting voor bedieningspanelen en draagbare elektronica, ze zijn gevoelig voor beschadiging. De kwetsbaarheid kan de levensduur van het apparaat beperken, duurzaamheid en betrouwbaarheid voor langdurige elektronische toepassingen.

Het eerste zelfherstellende EL-apparaat dat in het onderzoek werd ontwikkeld, werd geconstrueerd met behulp van een gemodificeerde zelfgloeiende polyacrylzuurhydrogel voor elektroden, gekoppeld aan zelfherstellend polyurethaan als fosforgastheer voor elektrische isolatie. De wetenschappers toonden aan dat de fysiochemische eigenschappen van apparaatherstel behouden kunnen blijven, zelfs na catastrofale schade. Dergelijke EL-systemen zullen nieuwe en opwindende toepassingen van de volgende generatie hebben, zoals helende hydrogels en diëlektrische polymeren in draagbare apparaten. Het werk is nu gepubliceerd op Licht:wetenschap en toepassingen .

De luminescentieprestaties van zelfherstellende EL-apparaten werden in het onderzoek hersteld met een hoge helende werkzaamheid. Het concept zou kunnen worden overgedragen naar genezing tussen apparaten om een ​​conceptueel LEGO-achtig assemblageproces in lichtgevende apparaten te realiseren. Door het ontwerp- en engineeringproces van zelfherstellende EL-apparaten, de wetenschappers wilden hun prestaties nieuw leven inblazen en tegelijkertijd hun levensduur verlengen, zelfs nadat het materiaal doormidden was gesneden. Liang et al. verwacht dat dergelijke zelfherstellende EL-apparaten die zijn ontwikkeld met behulp van ionisch geleidende helende hydrogels en diëlektrische polymeren, zullen dienen als een modelsysteem voor elektroluminescente toepassingen.

Elektroluminescente (EL) apparaten hebben toepassingen in veelzijdige systemen en disciplines, waaronder zachte robotica, als kunstmatige huidactuators; in flexibele elektronica, draagbare elektronica, digitale displays en als sensoren. Vooruitgang in de materiaalwetenschap heeft geleid tot prachtig ontworpen en ontwikkelde multifunctionele EL-apparaten die gebruik maken van transparante, geleidende materialen die biologisch geïnspireerde zachte robotica en geoptimaliseerde apparaatconfiguraties integreren. Voorbeelden zijn:

• Rekbare robots met op koppotigen geïnspireerde camouflage.
• Zilveren nanodraden voor transparante elektroden in zelfvervormbare EL-actuatoren.
• Extreem rekbare EL-apparaten ontworpen met ionisch geleidende hydrogels, en draagbare stoffen en sensoren voor optische communicatie.

Hoewel werktuigbouwkundige processen robuuste apparaten hebben ontwikkeld met robuuste materialen, voor apparaatconfiguraties die de belasting minimaliseren, als de spanning de weerstandslimiet overschrijdt, verslechtering van de prestaties van het apparaat kan niet worden vermeden. Het onderhoud en de vervanging van dergelijke defecte componenten in geïntegreerde, multifunctionele elektronische systemen is onhandelbaar of duur, en blijft een primaire zorg. Het ontwikkelen van een effectieve strategie kan de levensduur van EL-apparaten aanzienlijk verlengen.

In de studie, zelfhelende materialen zijn ontworpen en ontwikkeld met intrinsieke of extrinsieke helende eigenschappen, vergelijkbaar met eerdere experimenten. De huidige functies maken autonoom schadeherstel mogelijk, zelfs onder externe prikkels zoals pH, licht, elektrische of magnetische velden na uitgebreide schade. Genezende eigenschappen bestaan ​​op het niveau van het materiaal, maar verbeteringen om de levensduur en betrouwbaarheid van het apparaat te verbeteren zijn aan de gang. De meeste eerdere zelfherstellende prestaties waren ook alleen toepasbaar op het niveau van een enkele samenstellende laag in een meerlagig EL-apparaat, waar de resterende lagen handmatig werden gerepareerd via kleine patches.

Om bestaande beperkingen aan te pakken, Liang et al. aangenomen gemodificeerde zelfherstellende polyacrylzuur (PAA) hydrogels met natriumchloride (NaCl) als een ionische elektrode. Vervolgens namen ze zelfherstellende polyurethaan (PU)-bevattende zinksulfide (ZnS)-deeltjes op als een fosforcomposietlaag om het eerste aangeboren geoptimaliseerde zelfherstellende EL-apparaat in het onderzoek te demonstreren. Naast genezing van breukschade, genezing tussen apparaten werd ook voor het eerst hersteld om LEGO-achtige assemblage op het niveau van het EL-apparaat mogelijk te maken. De studie vereenvoudigde complexe en kostbare reparatie- en vervangingsprocessen in geïntegreerde elektronische systemen.

De op polymeer gebaseerde hydrogels (PAA-laag en PU-composietlaag) werden op moleculair niveau ontwikkeld om het gewenste fysisch-chemische karakter te verkrijgen. Er is een hydrogel ontwikkeld om tegelijkertijd de gewenste eigenschappen van transparantie in zichtbaar licht te realiseren, ionische geleidbaarheid en zelfgenezing. De PAA-hydrogel bevatte uniform verdeelde NaCl (4M) om een ​​gemiddelde transmissie van 96,5 procent te bereiken voor transparantie in het bereik van zichtbaar licht en een hoge ionische geleidbaarheid van 2,1 S/m. De carboxylgroepen op de PAA-ruggengraat brachten het zelfgenezend vermogen via waterstofbinding over op de hydrogel.

De elektrisch isolerende, lichtgevende en zelfherstellende fosforcomposietlaag bevatte PU gemodificeerd met carboxylgroepen om fosfordeeltjes (ZnS) te binden. De wetenschappers gebruikten boornitride (BN) nanosheets om de diëlektrische permittiviteit te vergroten en de luminescentie van de composietlaag te verbeteren. Het uiteindelijke EL-apparaat omvatte een configuratie met drie lagen. De materialen werden beoordeeld met behulp van scanning-elektronenmicroscopie (SEM) na fabricage en na de respons op schade/genezing. Het fysisch-chemische karakter van het meerlagige materiaal werd na beschadiging hersteld.

Het EL-apparaat bevatte de composiet fosforlaag (samengesteld uit PU/ZnS/BN) gesandwiched door twee symmetrische (PAA-NaCl-gebaseerde) transparante ionische geleiders. De morfologie van elke laag/component werd gekarakteriseerd met behulp van veldemissie SEM en optische beelden. Herstel van mechanische sterkte na genezing van elke laag werd geëvalueerd door een gewicht op te hangen. Ionische geleidbaarheden die werden gemeten met elektrochemische impedantiespectroscopie (EIS) toonden volledig herstel in vergelijking met de initiële waarde, zelfs na 10 snij-genezingscycli.

Als bewijs van werkingsprincipe, de wetenschappers observeerden ook de heropleving van een lichtgevende diode (LED) circuit na cut-healing cycli van het geleidende materiaal. De capaciteit van de diëlektrische laag bleef vrijwel constant na verschillende genezingscycli, wat aangeeft dat de lichtemissie-intensiteit en gedistribueerde spanning bijna constant bleven na genezing. Mechanische eigenschappen van het genezen EL-apparaat wezen op herstel van zowel de treksterkte als de Young's modulus op het breekpunt van het apparaat, zelfs na 10 snij-genezingscycli.

De wetenschappers toonden ook de aanvankelijke werkende staat aan, snijtoestand en genezen toestand (werk na genezing) geleid door het rationele ontwerp voor zowel materialen als het apparaat. Een succesvolle heropleving van de lichtemitterende prestaties van het EL-apparaat duidde op herstel van de fysisch-chemische en mechanische eigenschappen in elke functionele laag. De experimentele gegevens passen goed bij de vergelijking die in het onderzoek is afgeleid voor zowel de initiële werktoestand als de genezen toestand.

Gebaseerd op het uitstekende genezende vermogen van de EL-apparaten, de wetenschappers assembleerden een paar EL-eenheden tot één geïntegreerd EL-systeem om een ​​LEGO-assemblage van lichtgevende apparaten te bouwen. Om dit in het laboratorium te realiseren, het EL-apparaat werd gehalveerd om EL1 en EL2 te creëren en beide eenheden werkten zonder enige zichtbare degradatie in luminescentie. Tijdens het LEGO-montageproces, de wetenschappers implementeerden twee EL-eenheden om een ​​T-vormige lichtemitterende letter te vormen, met zichtbare functionaliteit op genezing. Aanvullend, de wetenschappers verzamelden de materialen om woorden te vormen met kleurrijke lichtemissies met behulp van ZnS-fosfordeeltjes gedoteerd met verschillende elementen.

De studie was een primeur om de willekeurige LEGO-achtige assemblage van EL-apparaten te rapporteren, waar alle functionele lagen konden worden genezen. Het nieuwe ontwerp kan worden toegepast om ionisch geleidende, helende hydrogels als transparante elektroden en helende diëlektrische polymeren met isolerende fosforlagen. Dergelijke materialen zullen geavanceerde toepassingen hebben om de volgende generatie draagbare, vervormbare en zelfherstellende elektronica.

© 2018 Wetenschap X Netwerk