(PhysOrg.com) -- Nu wetenschappers een divers assortiment van nano- en microformaat apparaten en materialen hebben ontwikkeld, een van de grootste uitdagingen is het vinden van een praktische manier om ze op te nemen in systemen op macroschaal. Bijvoorbeeld, kleine sensoren, actuatoren, en elektronische apparaten kunnen alleen hun volledige potentieel waarmaken als ze in het dagelijks leven in grote systemen kunnen worden benut. In een nieuwe studie, onderzoekers hebben een effectieve manier ontwikkeld om de micro- en macroschaal te overbruggen door een netwerk van microdraden en micronodes te ontwerpen die bij lage spanningsniveaus in het materiaal kunnen worden uitgebreid van enkele vierkante centimeters tot één vierkante meter.

Giulia Lanzara, Janmin Feng, en Fu-Kuo Chang van het Department of Aeronautics and Astronautics aan de Stanford University hebben hun studie gepubliceerd in een recent nummer van Slimme materialen en structuren .

Zoals de onderzoekers in hun onderzoek uitleggen, het opnemen van geminiaturiseerde elektronische componenten in grote objecten is tot nu toe niet bereikt met de huidige technologieën tegen betaalbare kosten. De traditionele methode houdt meestal in dat eerst de nano/microcomponenten worden gefabriceerd en vervolgens op macroschaalniveau worden geassembleerd en bekabeld. Aangezien er duizenden componenten kunnen zijn om te assembleren, deze methode wordt al snel kostbaar en tijdrovend. Alternatieve benaderingen omvatten het fabriceren van de microcomponenten op rekbare substraten, maar tot nu toe heeft geen enkel ontwerp grote hoeveelheden spanning en rekken getolereerd. In hun studie hebben de Stanford-onderzoekers gebruiken ook een rekbaar substraat, maar hun ontwerp is zeer uitbreidbaar, waardoor tweedimensionale rek van meer dan 25, 600%.

“Een van de grootste dromen in wetenschap en technologie is het ontwikkelen van ‘slimme’ materialen/structuren of apparaten die kunnen lijken op de unieke meervoudige functionaliteiten van levende systemen, Lanzara vertelde PhysOrg.com . “Daarom is de grootste uitdaging de niet-invasieve integratie van een gedistribueerde reeks nano/microdevices in macroscopische materialen. Het idee dat ik heb voorgesteld om dit probleem op te lossen, is om een ​​reeks nano-/microdevices te bouwen op een uitbreidbaar en flexibel substraat, patroon op microschaal en dat lijkt op, eenmaal uitgebreid, een gigantisch en ultralicht spinnenweb. Het web kan vervolgens worden geïntegreerd om 'intelligente' materialen te maken zonder het risico van invloed op het gewicht, mechanische prestaties en betrouwbaarheid van de hostingmaterialen. De voorgestelde multi-schaalmethode vertegenwoordigt de eerste stap in de richting van de realisatie van echt functionele materialen die lijken op levende systemen.”

Onder hun experimenten, de onderzoekers bouwden een netwerk dat bestaat uit 5, 041 micronodes met een diameter van ongeveer 200 micrometer (deze kunnen kleine sensoren bevatten, actuatoren, enz.) die in een rasterachtig patroon zijn verbonden door microdraden. De sleutel tot het uitbreidbare ontwerp is het rangschikken van de voorgeëxpandeerde microdraden in lussen en segmenten - in wezen, het samendrukken van een zo lang mogelijke draad tussen knopen op een zodanige manier om uitzetting bij lage spanningsniveaus mogelijk te maken. Door de microdraden te coaten met een aluminium laag, de onderzoekers zouden ze kunnen laten functioneren als elektrische verbindingen tussen de knooppunten voor verschillende elektronische apparaten. Micronodes aan de rand van het netwerk kunnen dan elektrische signalen in en uit het netwerk doorgeven.

De fabricage en uitbreiding van het netwerk is nieuw en toch relatief eenvoudig. De onderzoekers vormden eerst de functionele microdraden en micronodes (in de voorgeëxpandeerde configuratie) op een Kapton-film met een diameter van 10 centimeter, dat is een polymeermateriaal dat ook wordt gebruikt als isolatie voor ruimtepakken en elektrische draden in spaceshuttles. Onnodig materiaal werd vervolgens van de Kapton-film verwijderd om een ​​netwerk van micronodes te vormen die met elkaar verbonden waren door microdraden.

Het polymeernetwerk werd vervolgens uitgerekt door een handgestuurde rekmachine, eerst in de ene richting en dan in de andere. Naarmate het netwerk zich uitbreidt, de microdraadlussen spreiden zich uit als een accordeon (maar de knooppunten strekken zich niet uit). Met behulp van een microscoop, de onderzoekers inspecteerden het uitgebreide netwerk van één vierkante meter en ontdekten dat de microdraden en micronodes nog steeds mechanisch en elektrisch in orde waren. De micronodes werden na expansie ook precies op vooraf gedefinieerde locaties geplaatst.

“De aanpak die ik voorstelde is conceptueel eenvoudig, maar niemand heeft er eerder over nagedacht, ' zei Lanzara. "In plaats van te proberen een materiaal te 'rekken' om grote gebieden te bedekken en alleen te vertrouwen op de fysieke eigenschappen van het materiaal, waarom niet gewoon 'onnodig materiaal verwijderen' van een polymeerfilm en het resterende materiaal 'engineeren' in de vorm van gevouwen microdraden en micronodes? Op deze manier, door simpelweg de microdraden uit te vouwen, het gemanipuleerde materiaal kan bij zeer lage spanningswaarden worden uitgebreid tot verschillende ordes van grootte van zijn oorspronkelijke grootte. Dit ontwerp leidt tot tweedimensionale rekverhoudingen die verder gaan dan het rekvermogen van elk materiaal dat tegenwoordig bekend is.”

Algemeen, het uitgebreide netwerk is in feite een macro-schaalversie van het centimetergrote netwerk, met beide gemaakt van dezelfde microcomponenten. In aanvulling, het hele grote netwerk kan vanwege de hoge flexibiliteit in verschillende 3D-vormen worden opgerold en kan gemakkelijk worden geïntegreerd in materialen met verschillende stijfheid, zoals flexibele polymeren en koolstofvezelcomposieten.

Zoals de onderzoekers uitleggen, het zeer uitbreidbare netwerk kan dienen als een kosteneffectieve manier om een ​​reeks nano-/microschaalapparaten met hoge dichtheid op macroschaalniveau te integreren. Hoewel de primaire toepassing voor dit netwerk voor sensoren kan zijn die grote gebieden overspannen, de aanpak kan ook worden toegepast in draagbare elektronische apparatuur, papierachtige displays, intelligente elektronische textiel, en meer.

“Dit werk kan zeker de weg banen naar de ruimte, civiel, leger, medische en biomedische toepassingen, alsook voor de ontwikkeling van producten die het potentieel hebben om het comfort en de kwaliteit van onze levensstijl te verbeteren, ' zei Lanzara. "Bijvoorbeeld, het uitgebreide web kan worden gebruikt om slim textiel voor kleding of voor medische apparaten te realiseren, om de morphing materialen van de toekomst te realiseren, of multifunctioneel, uitzonderlijk duurzaam, betrouwbare composieten voor veilige en duurzame vliegtuigen en om de kunstmatige huid van humanoïde robots te realiseren. Door het netwerk op microschaal te fabriceren en in één stap uit te breiden naar macroschaal, kunnen de integratiekosten in materialen of constructies drastisch worden verlaagd, dus, bovenstaande toepassingen zijn eindelijk praktisch realiseerbaar.”

Copyright 2010 PhysOrg.com.
Alle rechten voorbehouden. Dit materiaal mag niet worden gepubliceerd, uitzending, geheel of gedeeltelijk herschreven of herverdeeld zonder de uitdrukkelijke schriftelijke toestemming van PhysOrg.com.