Elektronische materialen zijn een groot struikelblok geweest voor de opmars van flexibele elektronica omdat bestaande materialen niet goed functioneren na breuk en genezing. Een nieuw elektronisch materiaal gemaakt door een internationaal team, echter, kan al zijn functies automatisch herstellen, zelfs na meerdere keren breken. Dit materiaal zou de duurzaamheid van draagbare elektronica kunnen verbeteren.

"Draagbare en buigbare elektronica is in de loop van de tijd onderhevig aan mechanische vervorming, die ze kunnen vernietigen of breken, " zei Qing Wang, hoogleraar materiaalkunde en techniek, Penn State. "We wilden een elektronisch materiaal vinden dat zichzelf zou herstellen om al zijn functionaliteit te herstellen, en doe dit na meerdere pauzes."

Zelfherstellende materialen zijn materialen die, na fysieke vervorming te hebben weerstaan, zoals doormidden snijden, herstellen zichzelf van nature met weinig tot geen invloed van buitenaf.

Vroeger, onderzoekers hebben zelfherstelbare materialen kunnen maken die na breuk één functie kunnen herstellen, maar het herstellen van een reeks functies is van cruciaal belang voor het creëren van effectieve draagbare elektronica. Bijvoorbeeld, als een diëlektrisch materiaal zijn elektrische weerstand behoudt na zelfgenezing, maar niet zijn thermische geleidbaarheid, waardoor elektronica het risico loopt oververhit te raken.

Het materiaal dat Wang en zijn team creëerden, herstelt alle eigenschappen die nodig zijn voor gebruik als diëlektricum in draagbare elektronica:mechanische sterkte, doorslagsterkte om te beschermen tegen spanningspieken, elektrische weerstand, thermische geleidbaarheid en diëlektricum, of isolerend, eigendommen. Ze publiceerden hun bevindingen online in Geavanceerde functionele materialen .

De meeste zelfherstellende materialen zijn zacht of "gomachtig, " zei Wang, maar het materiaal dat hij en zijn collega's hebben gemaakt, is in vergelijking erg zwaar. Zijn team voegde boornitride nanosheets toe aan een basismateriaal van plastic polymeer. zoals grafeen, boornitride nanosheets zijn tweedimensionaal, maar in plaats van elektriciteit te geleiden zoals grafeen, bieden ze weerstand en isoleren ze ertegen.

"Het meeste onderzoek naar zelfherstelbare elektronische materialen heeft zich gericht op elektrische geleidbaarheid, maar diëlektrica zijn over het hoofd gezien, " zei Wang. "We hebben geleidende elementen in circuits nodig, maar we hebben ook isolatie en bescherming nodig voor micro-elektronica."

Het materiaal is in staat om zichzelf te genezen omdat boornitride-nanobladen met elkaar verbinden met waterstofbindende groepen die op hun oppervlak zijn gefunctionaliseerd. Wanneer twee stukken dicht bij elkaar worden geplaatst, de elektrostatische aantrekking die van nature tussen beide bindingselementen optreedt, trekt ze dicht bij elkaar. Als de waterstofbrug hersteld is, de twee stukken zijn 'genezen'. Afhankelijk van het percentage boornitride nanosheets toegevoegd aan het polymeer, deze zelfgenezing kan extra warmte of druk vereisen, maar sommige vormen van het nieuwe materiaal kunnen zichzelf genezen bij kamertemperatuur wanneer ze naast elkaar worden geplaatst.

In tegenstelling tot andere geneesbare materialen die waterstofbruggen gebruiken, boornitride nanosheets zijn ondoordringbaar voor vocht. Dit betekent dat apparaten die dit diëlektrische materiaal gebruiken, effectief kunnen werken in omgevingen met een hoge luchtvochtigheid, zoals in een douche of op een strand.

"Dit is de eerste keer dat een zelfherstelbaar materiaal is gemaakt dat meerdere eigenschappen kan herstellen tijdens meerdere pauzes, en we zien dat dit nuttig is voor veel toepassingen, " zei Wang.

Lixin Xing, Penn State en Harbin Institute of Technology; Qi Li, Guangzu Zhang, Xiaoshan Zhang en Feihua Liu, allemaal bij Penn State; en Li Liu en Yudong Huang, Harbin Instituut voor Technologie, meegewerkt aan dit onderzoek.

De China Scholarship Council steunde dit onderzoek.